История развития ЭВМ и вычислительной техники с начала и до наших дней
Абак в античном мире
Широкое распространение еще в древности получили счетные приборы, которые мы объединяем одним общим названием — абак. Под абаком мы будем понимать любой счетный прибор, на котором отмечены места (колонки или строчки) для отдельных разрядов чисел. Камешек, жетон, косточка и т. п., помещенные в разных колонках, имеют различное числовое значение. Механический перенос чисел из разряда в разряд отсутствует. Вычисления сводятся к способу выкладывания камешков (жетонов и т. п.).Характеризуя абак, петербургский академик В. Я. Буняковский писал: �Абака. Гладкая доска, на которой древние чертили геометрические фигуры и производили вычисления. При употреблении ее покрывали весьма мелким песком или пылью�. Абак — это �счеты такого рода, какие употребляются в России и в некоторых странах Азии�. На них возможны �всякие выкладки, зависящие от других арифметических действий�.Даже способ счета, который наблюдал русский путешественник и антрополог Н. Н. Миклухо-Маклай у туземцев Новой Гвинеи, можно отнести к тому же принципу, что и счет на абаке: �Папуас загибает один за другим пальцы руки, причем издает определенный звук, например, �бе, бе, бе�… Досчитав до пяти, он говорит �ибон-бе� (рука). Затем он загибает пальцы другой руки, снова повторяет �бе, бе�…, пока не доходит до �ибон-али� (две руки). Затем он идет дальше, приговаривая �бе, бе�…, пока не доходит до �самба-бе� и �самба-али� (одна нога, две ноги). Если нужно считать дальше, папуас пользуется пальцами рук и ног кого-нибудь другого�.Возникновение позиционного принципа вавилонской системы счисления связано с техникой вычислений того времени. В вавилонских математических текстах отсутствуют промежуточные вычисления. Это можно объяснить тем, что �промежуточные вычисления велись на каком-нибудь счетном инструменте типа наших счетов или средневекового абака�. Этим объясняется то, что вавилоняне классической эпохи, введя принцип позиционности, не ввели знака для нуля. При пользовании абаком такой знак не нужен. Отсутствие того или иного разряда означало, что соответствующая колонка остается пустой.На основании сопоставления разных данных можно восстановить вид вавилонского абака. Исходя из позиционности вавилонского счисления, можно считать, что каждому разряду соответствовала специальная колонка (или строка) абака. Вавилонский разряд включал 60 единиц. Поэтому колонка каждого разряда делилась на две части: в одной помещались камешки, изображавшие десятки (не более пяти), в другой — камешки, изображавшие единицы (не более девяти). Черта разделения была и в римском абаке.Впервые об абаке упоминает историк древнего мира Геродот: �Египтяне считают с помощью камешков, передвигая руку справа налево, тогда как эллины ведут ее слева направо�. Из этого можно сделать вывод, что такой абак был разделен вертикальными линиями.Советский историк математики М. Я. Выгодский по этому поводу пишет: �У египтян существовал и счетный прибор, аналогичный нашим счетам. Вероятно, он отличался от счетов тем, что камешки, которые служили для обозначения единиц различных разрядов, не передвигались по скрепляющей их нити, а клались в отделения счетной доски�.Римляне пользовались столом или доской, расчерченными на столбцы, с обозначениями названий разрядов: I, X, С, М и т. д. В неаполитанском музее древностей хранится римский абак. Он представляет собой доску с прорезанными в ней щелями, вдоль которых передвигаются костяшки. Имеется семь длинных щелей с четырьмя костяшками и одна длинная щель с пятью костяшками. Над каждой длинной щелью находится короткая с одной костяшкой. Кроме того, имеются еще две короткие щели с одной костяшкой и одна щель с двумя костяшками. Над длинными щелями намечены следующие обозначения (слева направо): 1X1, что означает ТЫСЯЧИ ТЫСЯЧ. ( ( ( 1 ) ) ) — СОТНИ ТЫСЯЧ, ( ( 1 ) ) — десятки тысяч, сю —тысячи, ( — сотни, X — десятки; I — единицы, О — унции, т. е. двенадцатые части.Каждая костяшка в верхней короткой щели приравнивается к пяти единицам соответствующей нижней щели. Исключение составляет только щель, обозначенная О, в которой находится пять костяшек, обозначающих унции, всего 5/12. Костяшка же в верхней щели означает 6 унций, т. е. 1/2. Костяшки в трех коротких щелях, расположенных отдельно с правой стороны абака, отмечены знаками: -S-; -)-, -2-, что означает полунции, четверть унции, шестая часть унции. Число камешков в каждом столбце указывает число единиц соответствующего разряда.Абак был известен и у греков. Геродот пишет о греках, �выкладывающих на абаке камешки�. Полибий (II в. до н. э.) говорит, что �царедворцы весьма сходны с камешками на абаке, ибо как камешек бывает по воле играющего то халкусом, то талантом, так и царедворцы по воле владыки становятся блаженными или злополучными�.Ямблих в �Жизни Пифагора� указывает, что Пифагор стремился ввести в изучение математики и вопросы использования абака. На одной античной вазе изображен греческий вычислитель, сидящий за абаком.В 1846 г. на греческом острове Саламине был найден единственный известный в настоящее время мраморный абак в виде плиты размером 105 X 75 см. Эта мраморная таблица служила для пятиричного счисления; об этом свидетельствуют высеченные на ней буквенные обозначения, причем счетные камешки укладывались только между линиями. Колонки слева служили для отсчета драхм и талантов, справа — для долей драхмы: оболов и хал-ков. Сохранность саламинской таблицы помогла реконструировать другие, лишь частично сохранившиеся абаки.Возникает естественно вопрос: какова роль абака в развитии математики, в частности в развитии математики в античном мире?Принято считать, что абак был вспомогательным средством при различных математических расчетах и вычислениях. Эта точка зрения механически переносит роль современных простейших вычислительных устройств на древний мир. Роль абака в развитии математики была особой. В период широкого распространения абака он занимал фундаментальное положение в математике и во многом определял ее лицо. Математическая задача считалась решенной только в том случае, если ее можно было решить на абаке. При применении абака письменные числа нужны были в математике только для записи условий задач, промежуточных результатов и ответов.В частности, абак сыграл решающую роль в Древней Греции при переходе от аттической нумерации к алфавитной (ионийской).Наиболее древней системой нумерации в Греции была аттическая или геродиановая нумерация. Последнее название происходит от имени Геродиан (II—III вв. н. э.), из текстов которого в Европе впервые узнали о существовании этой нумерации. В основных чертах эта система нумерации была следующей.Единица обозначалась вертикальной чертой |; 2, 3 и 4 записывались повторением этой черты; 5 обозначалось знаком Г, 10— ^, 100 — Н, 1000 — X, 10 000 — М. Это буквы греческого алфавита, они являются начальными буквами соответствующих слов. Родиной этих знаков была Аттика, хотя ими пользовались во всей Греции. Числа от 6 до 9 записывались так:ГI - 6, Г II — 7, Г III — 8, ГIIII — 9. Числа больше десяти записывались как комбинация знаков, например,^^ — 20, Г^ — 50, Г^^^ — 70, ГН —500, ГХ 5000 и т. д. Эта система нумерациисуществовала в Аттике до начала I в. н. э. В других греческих землях она была вытеснена алфавитной нумерацией значительно раньше.Греческий алфавит происходит от финикийского, в который греки внесли ряд изменений, лучше приспособив его к своему языку. 27 знаков греческого алфавита стали играть роль цифр в алфавитной нумерации древних греков. В основу этой нумерации положен десятичный (но не позиционный) принцип. Первые 9 букв были числами от 10 до 90, а следующие — от 100 до 900. Числа от букв отличались разными способами: точками, которые ставились с двух сторон числа, чертой над числом и т. п. В древнейших памятниках числа более чем с тремя знаками не встречаются.В более позднее время для обозначения тысяч употреблялись те же буквы, что и для единиц, только их еще снабжали отдельным значком, чаще всего штрихом впереди буквы. 10 000 называлось мириадой и обозначалось буквой М. Однообразия в записи больших чисел не было.Первая известная запись в ионийской нумерации относится к V в. до н. э. Постепенно эта нумерация вытеснила аттическую. Возникает естетственный вопрос: чем была вызвана замена аттической нумерации алфавитной? М. Кантор эту замену считает почти необъяснимой, так как в алфавитной системе, по его мнению, производить арифметические операции менее удобно, чем в аттической. Он пишет: �Так сильна у большинства историков привычка считать за прогрессивное всякое позднейшее историческое явление что вообразили, будто и здесь мы имеем дело с продвижением вперед�. С точки зрения Кантора, переход к алфавитной системе — шаг назад, так как эта система утруждает, при выполнении действий, память больше, чем аттическая, ибо она имеет больше самостоятельных знаков, она требует большего напряжения при выполнении действий. Абак в Европе
С распространением торговли началось знакомство европейцев с арабской культурой, прежде всего через Испанию и Сицилию.До нас дошел ряд работ X—XII вв., посвященных вычислению на абаке. Их авторы Герман Калеки, Рауль (Рудольф, ум. 1131 г.), Бернелини, Ланский и др. Наиболее известным является сочинение французского ученого монаха Герберта (ок. 940—1003 гг.), ставшего позднее (999—1003 гг.) папой (Сильвестр II). Он был одним из первых ученых, посетивших Испанию.Сочинение Герберта об абаке представляет письмо (примерно 980 г.), которое он написал своему другу Константину (схоласту монастыря Флери), обратившемуся к нему за разъяснением по поводу счета на абаке. Известным русским историком Н. М. Бубновым в работах подробно исследованы биография Герберта, ранняя история абака и тщательно проанализирован текст письма Герберта об абаке. Эти работы представляют ценное исследование по рассматриваемым вопросам, хотя не со всеми положениями работ Бубнова можно согласиться.В письме к своему другу — монаху Константину Герберт пишет, что он �принимается за разъяснение способов обращаться с числами абака… Хотя уже успело пройти несколько пятилетий с того времени, как у меня не было ни книги об этих вещах, ни упражнения в них, все же я излагаю здесь одно по памяти в тех же словах, другое в том же смысле�. Из этого начала письма следует, что Герберту ранее была известна книга об абаке. Далее письмо состоит из многочисленных правил умножения и деления для самых разнообразных случаев: умножение единиц на десятки, десятков на десятки, сотен на сотни и т. п.; деление десятков на единицы, десятков на десятки, тысячи на десятки и т. п.В 972—982 гг. Герберт жил в Реймсе и преподавал различные предметы в реймской епископской школе, в том числе и счет на абаке. В то время в употреблении обычно был 12-колонный абак. Герберт предложил абак с 27 колонками, т. е. для чисел от 1 до 1027. В этом абаке, кроме того, были три дополнительные колонки для счета денег и других мер. Внизу абака имелась справка о монетных системах. Такая таблица (абак) описана в журнале �Sitzungsber. Akad. Wiss. Wien Phil. Hist.�, Kl. 116, 1888. В наше время такая таблица Герберта была обнаружена в Швейцарии.Герберт и другие абакисты пропагандировали сами и через своих учеников употребление абака. Герберту приписывают несколько работ по математике, хотя точно неизвестно, является ли он их автором; одна из них — �Правила счета на абаке�, числа в этой работе пишутся словами или римскими цифрами.Впоследствии Герберта обвинили в том, что он продался дьяволу, так как умеет делить любые большие числа.Действия на абаке во времена Герберта преподавали во многих школах. Были созданы руководства для счета на абаке, благодаря чему абак получил широкое распространение в Европе.Европейский абак по сравнению с древним был несколько усовершенствован. Три столбца отводились для дробей, остальные группировались по три. Сверху столбцов были дуги, которые назывались пифагоровыми (изобретение абака в средневековой Европе приписывалось Пифагору). Столбцы справа налево отмечались буквами S или М (латинское singularis или греческое �монас� — единица), D (decern — десять), С (centum — сто). Вместо камешков стали применять жетоны с записанными на них цифрами. Эти знаки цифр (а иногда и сами жетоны) назывались апексами.Слово �апекс� происходит от латинского �орех�, одно из значений которого — письмена. Неясно происхождение названий отдельных апексов для 1, 2,.., 9; игин, андрас, ормис, арбас, квимас, кальтис, зенис, темениас, целентис. К этим девяти добавился со временем десятый — сипос (от греческого �псефос� — камешек, жетон). Сипос изображался в виде кружка с точкой внутри. Сипос был апексом технического назначения, его передвигали для памяти вдоль столбцов абака по мере выполнения действий. В изображении апексов видны черты современных цифр.Известны многочисленные рукописи, статьи и книги, в которых излагаются правила арифметических действий на абаке. Одной из наиболее известных таких работ является сочинение Бернелини (XI в.) �Liber abaci�, который указывает, что вместо апексов можно применять греческие буквы. Он подробно описывает, как производились арифметические действия на абаке, в том числе излагает действия с дробями. Абак в Китае
В простейших счетных приборах (абаках), которые были распространены на Востоке, использовалась преимущественно пятиричная система счета. Такие приборы мы находим в Японии, Индии, Пакистане и других странах. Иногда и теперь индийские крестьяне и торговцы, считая, раскладывают камешки на расчерченной на песке таблице.В Китае и в настоящее время широкое распространение имеет суань-пан, завершивший длинную историю развития счетного прибора, началом которой была счетная доска, появившаяся в конце второго тысячелетия до нашей эры. �В истории инструментального счета Китай занимает одно из почетных мест. Среди ранних прототипов счетных приборов самым древним является китайский�. Хотя достаточно полного описания счетной доски древних китайцев не сохранилось, но сейчас уже довольно хорошо восстановлены как ее вид, так и способы работы на ней. В Древнем Китае на счетной доске производились самые разнообразные вычисления. При этом использовались небольшие палочки, при помощи которых выкладывались числа. Цифры при этом образовывались по аддитивному принципу. Таблица чисел выглядела следующим образом:Затем обозначения повторялись, т. е. сотни обозначались так же, как единицы; тысячи, как десятки, и т. д. Палочки, изображавшие числа, располагались то вертикально, то горизонтально. Например, число 73 236 палочками выкладывалось так |Т = || Т Для нуля специального обозначения не было, вместо нуля был пропуск — пустое место. На счетной доске в Древнем Китае возник и существовал позиционный принцип. Есть свидетельства, что он обнаруживается в III в. до н. э.В более позднее время китайский математик Сунь-цзы (III или IV в. и. э.) писал по этому поводу: �Прежде всего [следует] познакомиться с разрядами: единицы вертикальны, десятки выглядят одинаково, десятки тысяч и сотни тоже�.Как уже было отмечено, на счетной доске производились самые различные операции и выкладки. Рассмотрим сложение на следующем примере: 9876+5647 = 15 523.
Счет на доске шел снизу вверх. На нижней строке доски выкладывали слагаемые. Сложение шло от старших разрядов к младшим. 9000+5000 = 14000 — это число помещали над первым слагаемым, при этом соблюдали соответствие между разрядами. В эту же строку переносят оставшиеся цифры слагаемых (876 и 647). Затем складывают 800 + 600 = 1400 — этот результат прибавляют к ранее полученным 14 000 и получают 15 400. Это число помещают в третьей строке снизу, в этой же строке ставят и оставшиеся числа: 76 и 47. Затем находят 70+40 = 110 и прибавляют к предыдущему результату: 15 400 + 110 = 15510. Эту сумму ставят в следующей строке, рядом ставят последние слагаемые 6 и 7. Прибавляя 6 + 7 = 13 к 15 510, получают окончательный результат, который записывают в верхней строке.Характеризуя действия умножения и деления, Сунь-цзы дает следующее правило: �Установи разряды [чисел] один под другим, [так чтобы числа] в верхней и нижней [строках] были соответственно расположены. В верхней [строке] разряды суть десятки, за десятками следуют сотни, за сотнями следуют тысячи, за тысячами… Нижние [разряды] умножь на верхние. Числа, которые получаются, помести в ряд в средней строке. Как только будут десятки, переходи [в следующий разряд, если] не превышает [десятки], то [оставь] в собственном [разряде]. Ту [цифру] разряда в верхней [строке], которая до конца использована при умножении, убери, Ту [цифру] разряда в нижней [строке], которая до конца использована при умножении, передвинь вместе со всеми остальными вправо. Шесть не состоит из груды палочек, пять не является единичной [палочкой]. Когда в верхней и нижней [строках разряда] перемножить, то полностью все будет выполнено. Правило, которое [употребляется] всякий раз при делении, прямо противоположно умножению: результат умножения находится в центре, результат деления находится в верхней строке�.Впервые в этом сочинении Сунь-цзы мы находим формулировку позиционного принципа в представлении чисел на китайском счетном приборе. Об отсутствии же какого-либо разряда свидетельствовало пустое место, так что знака для нуля не требовалось. Таким образом, это была первая, известная нам, позиционная десятичная система счисления.�Китайская счетная доска сыграла особую роль в истории китайской математики. Древнекитайский ученый мог считать задачу решенной только тогда, когда для нее было составлено правило решения на доске. В терминах вычислительной математики это означает составление для каждой задачи программы или алгоритма ее решения, проводимого на машине�.Абак в России
В допетровской Руси было два наиболее развитых приема инструментального счета — �счет костьми� и �дощаный счет�. Об этих приемах счета мы знаем по спискам �Цифирной счетной мудрости�, относящимся к XVII в., хотя нет сомнения, что их содержание восходит к XVI в. Более того, существует мнение, что �счет костьми… уходит своими корнями в глубокую древность�.�Счет костьми� или при помощи счетной доски в литературе излагался неоднократно. Прежде чем начать считать при помощи счетной доски, нужно приготовить счетное поле, разграфив горизонтальными линиями стол или специальную доску. Камешек, косточка от фруктов или специальный жетон на первой (нижней) линии означал 1, между первой и второй линиями — 5, на второй линии — 10, между второй и третьей — 50, на третьей линии — 100 и т. д.В списках �Счетной мудрости� счет на счетной доске описывается следующим образом.�Указ како костьми считати.Возьми перед себя стол или доску, на чем тебе пригодитца великий счет считати. И прочерти черту мелом к себе концом, да поперек 6 черт или 7, или боле, каков счет хошь считать и снизу от себя отчерти 3 черты простых, а на четвертой черте на споях накресть перечерти для памяти и буди ти ведомо первый крест туто кладутца 1000, а на другом кресту кладутца 1 000 000, а впредь также. А кости клади по чертам или пиняги. На нижней черте кладетца всякая кость за 1 до 4 костей, а придется положите 5, и ты положи 1 кость выше первые черты под другую меж чертами. Ту 1 кость держит 5, а на другой черте всякая кость держит по 10, а пригодитца положити 50 и ты положи 1 кость выше другие черты под третью меж чертами. А впредь також клади. С черты на черту вверх ступай вдесятеро, а промеж чертами впятеро наполовину. Смотри здесь в указе навосми чертах слова ставлены азбучные и промеж чертами, где по которым местам кладутца кости счетные и противо которых слов за сколько одна кость кладется. Противо аза всякая кость кладется за 1, а против буки всякая кость кладется за 5� и т. д. 90 леодров. �Каков тебе счет прилучица так и черты стави. Смотри как здеси укажу�.Далее излагаются правила выполнения четырех арифметических действий.В списках �Счетной мудрости� имеется схема счетной доски. Аналогичная схема, но с другими обозначениями приведена в широко распространенной в Европе книге А. Риса �Счет на линиях�. Ее часто можно встретить и в других источниках.Название �счет костьми� (вместо европейского — �счет на линиях�) происходит от того, что счет производился наряду с камешками или жетонами при помощи сливовых или вишневых косточек. Об этом имеются прямые свидетельства. Генрих Штаден, находившийся в России с 1564 по 1576 г., в своих записках отмечает: �В Русской земле счет ведут при помощи сливяных косточек… В приказах еще были сливяные и вишневые косточки, при помощи которых производился счет�. Счетные жетоны на Руси назывались �пенязи�, поэтому счет на линиях назывался еще �счет костьми или пенязи�. При помощи такой разграфленной доски выполнялись четыре арифметических действия. Сложение производилось выкладыванием слагаемых на линиях, учитывая только, что пять камешков на линии заменяются одним между линиями, расположенным выше, а два камешка между линиями — одним на линии выше. Счет удобнее вести снизу вверх.При выполнении вычитания вначале выкладывается уменьшаемое, затем, если это необходимо, некоторые камешки заменяются более мелкими по значению (т. е. стоящими ниже), а затем убираются камешки, соответствующие вычитаемому.Умножение производится по схеме умножения многочлена на многочлен:Произведения akbn, akbn-1 и т. е. выполнялись в уме (все эти произведения в пределах таблицы умножения от 1X1 до 9X9), степени 10 указывали, па каких линиях их выкладывать, затем все эти произведения складывались. Например, 66X96 = 6336.Деление производилось при помощи раздробления остатка в высших разрядах с постепенным переходом к единицам. Например, 432:3 = 144.Второй вид инструментального счета, который был распространен в России, был так называемый �дощаный счет�.Почти во всех списках �Счетной мудрости� имеются статьи о �дощаном счете� — самобытном русском инструментальном способе счисления. Изложение этой статьи в разных списках сопровождается схематическими рисунками, которые отражают постепенное изменение этого прибора. Арифмометр Чебышева
В XIX в. в связи с развитием науки и техники потребность в счетных машинах все время возрастала. Мы видели, что было предложено большое количество самых разнообразных машин. После арифмометра Томаса и работ Бэббиджа обращает на себя внимание арифмометр П. Л. Чебышева.В 1878 г. П. Л. Чебышев передал в Парижский музей искусств и ремесел свой арифмометр, точнее, суммирующую машину. На XI сессии Французской ассоциации содействия преуспеванию наук в 1882 г. П. Л. Чебышев сделал доклад �О новой счетной машине�. Содержание доклада не сохранилось, но, по-видимому, оно изложено в заметке �Счетная машина с непрерывным движением�, опубликованной впервые в �Revue Scientifique�, 1882,. Это была первая публикация об арифмометре Чебышева. Затем появилась заметка М. Оканя, профессора Политехнической школы, впоследствии члена Парижской академии, в �Annales de conservatoire des Arts et Metiers, 1893, V, serie 2. Окань, после смерти Э. Люка, занимался коллекцией счетных машин Музея искусств и ремесел в Париже. В письме к Чебышеву он писал: �В моем распоряжении нет сколько-нибудь полного описания машины, изобретенной Вами… Я буду Вам чрезвычайно обязан, если Вы соблаговолите мне сказать, где я мог бы найти такие указания, и, более того, в случае если таковые никогда не были опубликованы, не были бы Вы любезны сообщить их непосредственно мне?�. Удивляет, что Окань искал описание того арифмометра, который был у него. Кроме заметки Оканя имеется статья, вошедшая в книгу.В статье Бооля приводится описание арифмометра Чебышева и принципа его работы, фотографии арифмометра получены Боолем от самого Чебышева. Эти фотографии приводились затем неоднократно. В статье Бооля имеется и рисунок, поясняющий устройство арифмометра. По статье Бооля нами составлена схема работы этого арифмометра.Чебышев в своем письме к Боолю писал: �Вашим сообщением разъясняется многое, что темно у Окань, и он сам воспользуется этим при предстоящих конференциях в консерватории [т. е. в Музее искусств и ремесел]�.Однако были некоторые источники, которые указывали на существование более раннего экземпляра арифмометра П. Л. Чебышева, точнее, суммирующей машины с непрерывным переносом десятков.Так, на V сессии Французской ассоциации содействия преуспеванию наук в 1876 г. Чебышев сделал доклад �Суммирующая машина с непрерывным движением�. В относительно этого доклада сказано: �Содержание доклада неизвестно. Можно предполагать, что речь шла об одной из первых моделей известного арифмометра П. Л. Чебышева�. Если еще учесть, что доклад Чебышева на XI сессии той же ассоциации в 1882г. назывался �О новой счетной машине�, то естественно предположить, что первый арифмометр был построен Чебышевым до 1878г. Это предположение подтверждается в работе, в которой сказано: �Экземпляр арифмометра хранится в Conservatoire des Arts et Metiers в Париже. Кроме этого сохранился один из ранних экземпляров арифмометра, обнаруженный нами среди других архивных материалов�.После длительных поисков нам удалось этот арифмометр найти. Он хранится сейчас в музее истории г. Ленинграда.Арифмометр Чебышева — это суммирующая машина с непрерывной передачей десятков. В машинах с прерывной (дискретной) передачей колесо высшего разряда продвигается сразу на одно деление, в то время как колесо низшего разряда переходит с 9 на 0. При непрерывной передаче десятков соседнее колесо (а вместе с ним и все остальные) постепенно поворачивается на одно деление, пока колесо младшего разряда совершает полный оборот. Чебышев этого достигает применением планетарной передачи. Арифмометр Чебышева был построен как 10-разрядная суммирующая машина.Сложение на этом приборе выполняется просто. С помощью наборных колес набираются поочередно слагаемые и результат считывается в окнах считки. На наборных колесах имеются специальные зубцы, с помощью которых поворачиваются колеса. На корпусе арифмометра, рядом с наборными колесами, для удобства набора написаны цифры. При вычитании набирается уменьшаемое, а вычитаемое нужно набирать, вращая наборные колеса в обратную сторону.
В связи с непрерывной передачей десятков �чтение цифр становится более трудным�. Единицы всегда стоят в середине окошка и считываются без затруднений. Окошко для единиц узкое (1,5 см), в нем помещается только одна цифра. Начиная с десятков, окошки широкие (2,5 см), в них могут поместиться две цифры. Какую из них считывать, указывает белая полоса, на которой написаны цифры. Архитектурный подход к проектированию ЦВМ
К наиболее важным тенденциям, получившим развитие в период машин третьего поколения, следует отнести:а) применение единого (архитектурного) подхода к проектированию серий ЦВМ;б) создание на базе универсальных ЦВМ систем, работающих в режиме автоматического распределения машинного времени между абонентами.Создание серий ЦВМ с единой архитектурой явилось логическим развитием системного подхода к проектированию вычислительных машин. Как отмечалось в разд. 3 гл. 6, в основе системного подхода лежит одновременная разработка средств математического обеспечения и аппаратуры. Дальнейшим развитием системного подхода явилось распространение данного принципа на разработку серий (семейств) универсальных ЦВМ, обладающих единой архитектурой, т. е. единой структурой с точки зрения программирования.Важнейший элемент такого подхода — обеспечение программной совместимости выпускаемых машин. Первые разработки универсальных ЦВМ, при проектировании которых предусматривалась программная совместимость с ранее выпущенными моделями, относятся к концу 50-х годов. Так, при проектировании машины ИБМ-709, выпущенной в США в 1958 г., была предусмотрена программная совместимость с изготовленной в 1955 г. машиной ИБМ-704. В 1960—1963 гг. в США была выпущена серия программно-совместимых ЦВМ среднего класса ИБМ-1400 (модели 1401, 1410, 1440, 1460). Значительное влияние на формирование архитектурного подхода к проектированию оказала разработка серии ЦВМ ИБМ-360. Программная совместимость была достигнута в процессе одновременной разработки серии машин, совокупность которых включала ЦВМ высокого класса, среднего класса и малые ЦВМ. В СССР идея создания серии ЦВМ с единой архитектурой впервые была предложена Б. И. Рамеевым, по проекту которого в 1959 г. началась разработка семейства полупроводниковых машин �Урал� (модели �Урал-11�, �Урал-14� и �Урал-16�).В середине и второй половине 60-х годов создание серий ЦВМ, имеющих общую архитектуру, стало господствующим направлением в проектировании универсальных ЦВМ. Как правило, каждая выпускаемая в настоящее время универсальная ЦВМ является элементом некоторого программно-совместимого ряда машин, разработанного данной фирмой или заводом. При разработке новой серии ЦВМ обычно предусматривается программная совместимость с машинами предыдущей серии.Наряду с разработкой совместимой системы команд при проектировании серий ЦВМ с общей архитектурой предусматривается единый подход к таким вопросам, как формат данных, которые обрабатываются в машине, система адресации, принцип организации ввода-вывода, вопросы, связанные с разработкой операционной системы (прерывания, защита памяти и т. д.).Применение архитектурного подхода к разработке ЦВМ позволяет достичь многократной экономии по сравнению с независимой разработкой отдельных моделей. Во-первых, первоначальный этап проектирования является единым для нескольких моделей, входящих в данную серию. Во-вторых, при одновременной разработке нескольких моделей создаются возможности использовать во всей серии машин один и тот же набор элементов, одни и те же технологические и конструкторские методы и т. д. В-третьих, достигается существенная экономия при разработке операционных систем. Кроме того, архитектурный подход упрощает некоторые эксплуатационные проблемы, в частности подготовку кадров для эксплуатации ЦВМ.Важнейшие проекты ламповых ЦВМ с хранимой программой
Теоретическая разработка принципа хранимой программы и начало работ по проекту ЭДВАК (1945—1946 гг.) оказали существенное влияние на развитие электронных ЦВМ. В 1945— 1946 гг. ряд научно-исследовательских институтов США и Великобритании начал проектирование электронных ЦВМ с хранимой программой. При этом одной из наиболее существенных трудностей, с которыми пришлось столкнуться, являлось создание запоминающего устройства.�На ранней стадии развития вычислительной техники,— отмечает американский ученый Н. Найсеноф,— решающий момент в проектировании электронных ЦВМ был связан с установлением возможности построить или наладить изготовление какого-либо определенного запоминающего устройства; как только это выяснялось, можно было приступать к конструированию машины�. Данная ситуация объясняется тем, что при разработке электронных схем конструкторы первых ЦВМ могли использовать богатый опыт смежных областей техники (например, радиолокационной импульсной техники). В то же время опыт предшествующей разработки быстродействующих запоминающих устройств был значительно более скромен и, по существу, ограничивался некоторыми исследованиями в области радиолокации (ультразвуковые линии задержки) и опытом, накопленным в области магнитной записи звука.Между тем разработка достаточно быстродействующей и емкой памяти являлась необходимым условием для реализации принципа хранимой программы, т. е. одного из основных принципов конструирования электронных ЦВМ. Поэтому каждое достижение в области создания запоминающих элементов существенно повышало вычислительные возможности машин. Для ЦВМ первого поколения значительные изменения их производительности связаны, во-первых, с разработкой различных типов электронно-лучевой памяти и, во-вторых, с заменой электронно-лучевых трубок памятью на ферритовых сердечниках. Изменения производительности машин первого поколения иллюстрируются данными, приведенными в табл. 2. В таблице дан ряд характеристик ЦВМ США, в том числе оценка их производительности по методу Найта.В первой электронной ЦВМ ЭНИАК для запоминания информации использовались статические триггеры на ламповых триодах, т. е. была сделана попытка построить все внутренние устройства машины на элементах одного типа. Несмотря на всю привлекательность этой идеи, она не могла быть реализована при данном уровне технологии. Достаточно емкое устройство на статических триггерах потребовало бы огромного количества электронных ламп (двух триодов для запоминания одной двоичной единицы) при условии непрерывного потребления энергии. Таким образом, соответствующее устройство было бы неэкономичным, громоздким, ненадежным и очень дорогим. Учитывая это, в 1944 г. один из конструкторов ЭНИАК Дж. Эккерт предложил новый тип запоминающего устройства — на ультразвуковых ртутных линиях задержки.Впервые память на ультразвуковых линиях задержки была применена в английской машине ЭДСАК, разработанной в математической лаборатории Кембриджского университета под руководством М. В. Уилкса. По дате ввода в эксплуатацию (май 1949 г.) машина ЭДСАК опередила все другие электронные ЦВМ с хранимой программой, которые разрабатывались в США и Великобритании, и, таким образом, явилась первой ЦВМ нового типа. Запоминающее устройство машины ЭДСАК состояло из 32 ртутных трубок емкостью 576 дв. ед. (32 17-разрядных слова) каждая. Частота синхронизирующих импульсов составляла 526 кгц, несущая частота — 13,5 Мгц. Среднее время выборки одного слова равнялось 550 мксек.. С целью поддержания постоянной температуры ЗУ было помещено в термостат.Характеристики памяти на ультразвуковых линиях задержки во многом определяли вычислительные возможности машины. �Появление запоминающих устройств на электроакустических трубках,— отмечает С. А. Лебедев,— привело к созданию ряда машин последовательного действия как с точки зрения выборки самих чисел последовательно из запоминающего устройства, так и с точки зрения выполнения арифметического устройства последовательного действия. Это обусловливалось теми соображениями, что при данном виде памяти основное время в работе машины уходило на выборку чисел из запоминающего устройства. Поэтому не было никакого смысла увеличивать скорость выполнения арифметических действий, так как скорость машины от этого существенно не повысилась бы. Примером машин такого класса может служить английская машина ЭДСАК… Машины этого класса имеют скорость порядка 1—2 тыс. операций в секунду�.По способу согласования работы отдельных устройств машина ЭДСАК являлась синхронной ЦВМ. Все операции в машине выполнялись в двоичной системе счисления над числами, представленными в форме с фиксированной запятой.Длина одного буквенно-цифрового знака — от S до 8 двоичных разрядов (в зависимости от используемых методов контроля, системы адресации и т. д.).К высшему классу (классу А) отнесены машины с наиболее высокой производительностью (для своего времени), к группе Б — машины среднего класса, к группеиспользуемых методов контроля, системы адресации и т. д.).(для своего времени), к группе Б — машины среднего класса, к группе В — малые ЦВМ.Система команд включала 19 операций. Команды имели одноадресную структуру. Для ввода команд и исходных чисел использовалась 5-канальная перфолента. Ввод данных с перфоленты производился с помощью фотоэлектрического устройства. Арифметическое устройство последовательного действия состояло из одноразрядного сумматора и регистров, выполненных на ртутных линиях задержки. Всего в машине использовалось около 24500 электронных ламп.В процессе эксплуатации машины ЭДСАК был впервые освоен на практике метод библиотечных подпрограмм, детально разработанный М. Уилксом, Д. Уиллером и С. Гиллом.Вскоре после ввода в эксплуатацию машины ЭДСАК была завершена работа над проектом электронной ЦВМ Манчестерского университета, разработанного под руководством Ф. Вильямса. Существенный вклад в разработку математической части проекта внес выдающийся английский математик А. Тьюринг. Им были составлены первые рабочие программы. Эксплуатация машины началась летом 1949 г. Созданию машины Манчестерского университета предшествовала разработка прототипа машины (1948 г.). Целью создания прототипа была экспериментальная проверка возможности использовать для построения памяти электроннолучевую трубку, разработанную Ф. Вильямсом и представляющую собой модификацию стандартной осциллографической трубки.Применение электронно-лучевых трубок в запоминающем устройстве существенно повышало производительность ЦВМ, поскольку создавалась возможность параллельной передачи и обработки машинных слов. Трубки Вильямса были применены в ЦВММанчестерского университета для построения оперативной памяти емкостью 128 чисел по 40 двоичных разрядов. Поскольку емкость оперативной памяти была мала для записи программы, в машине использовалось также ЗУ на магнитном барабане емкостью 1024 числа. Таким образом в ЦВМ Манчестерского университета была впервые реализована иерархическая структура памяти, т. е. использование в одной машине нескольких ЗУ, существенно отличающихся по емкости и быстродействию. Разумеется, иерархическое решение проблемы построения памяти усложняло структуру машины. Однако в то же время оно было единственно возможным, поскольку уровень техники не позволял (и до сих пор не позволяет) создать память на одном типе носителя информации, в которой большая (в идеале — неограниченная) емкость сочеталась бы со скоростью записи и считывания, соответствующей скорости работы электронных арифметических, логических и управляющих схем.ЦВМ Манчестерского университета была первой машиной, в которой использовался метод модификации адресов с помощью индексных регистров. Применение индексных регистров оказалось весьма плодотворным и до сих пор является одним из основных методов машинного изменения программы. Дальнейшее развитие этого метода шло по пути увеличения количества индексных регистров, используемых в машине, и привело к созданию в ряде быстродействующих ЦВМ второго поколения сложных систем, включающих комплекс индексных регистров с различными функциями.В США первые ЦВМ с хранимой программой были введены в эксплуатацию в 1950 г. В мае этого года началась эксплуатации машины СЕАК, разработанной лабораторией электронных вычислительных машин Национального бюро стандартов. Машина СЕАК проектировалась с таким расчетом, чтобы в процессе эксплуатации ее можно было усовершенствовать путем замены устройств на более эффективные и производительные. Взаимосвязь тенденций развития
Рассмотренные выше некоторые особенности и тенденции развития универсальных ЦВМ на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах касаются различных аспектов их эволюции (рост производства и областей применения, структура машин, развитие средств программирования и т. д.). Представляется целесообразным попытаться найти взаимосвязь различных особенностей и тенденций и, таким образом, наметить обобщенную схему развития.Некоторые из рассмотренных выше тенденций являются общими как для данного периода, так и для предшествовавших периодов развития универсальных ЦВМ. Сюда относятся такие направления развития, как повышение производительности ЦВМ, снижение себестоимости (в пересчете на производительность), повышение надежности, увеличение плотности компоновки и т. д.Все эти тенденции могут быть объединены понятием �совершенствование характеристик� и связаны прежде всего с эволюцией физико-технологических особенностей вычислительной аппаратуры. Как было отмечено во Введении, важнейшая тенденция развития универсальных ЦВМ — повышение их производительности — во многом определяется совершенствованием технологии изготовления схемных элементов, на базе характеристик которых разрабатываются новые схемотехнические и структурные решения. Выше было показано также влияние применения транзисторов на такие характеристики машин, как надежность, плотность компоновки схем, потребляемая мощность и т. д.Наряду с данными тенденциями в период машин второго поколения выявились некоторые новые направления эволюции универсальных ЦВМ, не наблюдавшиеся или не получившие существенного развития в предшествующие периоды. Сюда относятся такие явления:1) интенсивное развитие проблемно-ориентированных алгоритмических языков;2) систематическое повышение затрат на математическое обеспечение в общей совокупности затрат на разработку универсальных ЦВ|М;3) развитие системного подхода к проектированию ЦВМ;4) систематическое повышение доли затрат на периферийное оборудование в суммарной стоимости производства вычислительной аппаратуры;5) развитие модульного принципа конструирования;6) интенсивное использование универсальных ЦВМ для обработки экономической информации, а также развитие такой сферы применения, как управление в реальном масштабе времени;7) развитие мультипрограммирования;8) развитие систем контроля и диагностики ЦВМ и т. д.Рассматривая взаимосвязь данных тенденций, необходимо отметить их зависимость от процесса расширения областей применения ЦВМ, т. е. от расширения круга решаемых задач и повышения их сложности. В разд. 4 гл. 6 отмечались три основные сферы использования универсальных ЦВМ второго поколения: научно-технические расчеты, обработка экономической информации и управление в реальном масштабе времени. Масштабы применения универсальных ЦВМ в данных областях оказали существенное влияние на развитие перечисленных выше тенденций в каждой из промышленно развитых стран. Например, ориентация на преимущественное применение ЦВМ для решения научно-технических задач, характерная для СССР, явилась причиной того, что такие тенденции, как повышение роли периферийного оборудования и математического обеспечения при разработке универсальных ЦВМ, не получили такого развития, как, например, в США.Одной из наиболее существенных черт использования универсальных ЦВМ в США, а также в ряде западноевропейских стран является широкое распространение информационных систем, обрабатывающих экономическую информацию. Специфика обработки экономической информации заключается, в частности, в больших объемах вводимых и выводимых данных. Соответственно повышаются требования к пропускной способности устройств ввода-вывода, их ассортименту, емкости внутренних ЗУ, аппаратуре, осуществляющей связь процессора с внешними устройствами, и т. д. В результате растет доля расходов на (периферийную аппаратуру в суммарной себестоимости ЦВМ.Разработка большого количества алгоритмических языков в 60-х годах явилась следствием расширения областей применения ЦВМ и трудностями программирования на языке машинных команд. Значительная часть разработанных языков ориентирована на запись алгоритмов решения экономических и информационно-логических задач.Развитие проблемно-ориентированных алгоритмических языков явилось одной из причин повышения роли математического обеспечения при разработке универсальных ЦВМ. Важное значение имело также стремление фирм заинтересовать потенциальных потребителей в использовании универсальных ЦВМ. В частности, с этой целью была налажена разработка стандартных программ для решения различных типов задач, которыми стали оснащаться выпускаемые ЦВМ. Наконец, на развитие операционных систем существенно повлияло усложнение структуры ЦВМ, в частности применение методов мультипрограммирования. Повышение роли средств математического обеспечения привело к развитию системного подхода к разработке ЦВМ, а стремление удовлетворить запросы максимально широкого круга потребителей явилось одной из важнейших причин развития модульного принципа конструирования, позволяющего в определенных рамках варьировать состав оборудования в зависимости от предъявляемых требований.Исходный момент развития мультипрограммирования — совмещение во времени работы устройств ввода-вывода и центрального процессора. Это имело особое значение в условиях большого объема вводимой-выводимой информации и интенсивного обмена между оперативными ЗУ и внешней памятью. Развитие мультипрограммирования позволило повысить интенсивность использования оборудования и таким образом снизить стоимость решения задач, что способствовало расширению круга потребителей.Развитие систем контроля и диагностики явилось следствием усложнения структуры машин, в частности за счет применения методов мультипрограммной работы, а также результатом расширения состава оборудования и увеличения объема передачи информации внутри системы.Таким образом, развитие ряда тенденций, характерных для машин второго поколения, может быть связано с расширением сферы их применения, прежде всего сферы обработки экономико-статистической информации. При этом в ряде стран, прежде всего в США, существенную роль сыграли как техническая политика фирм-производителей универсальных ЦВМ, так и развитие вычислительной сферы обслуживания, в том числе широкое распространение фирм-консультантов, способствовавших интенсивному внедрению информационных систем в различные области экономики. Наряду с информационными системами некоторое развитие в СССР, США и других странах получили системы управления в реальном масштабе времени. Как было показано ранее, управление в реальном масштабе времени предъявляет ряд специфических требований к структуре и параметрам ЦВМ. Очевидно, что масштабы и специфика применения систем управления могут оказать определенное влияние на особенности дальнейшей эволюции универсальных ЦВМ.Исторические предпосылки создания электронных ЦВМ
Развитие электроники.
Основными техническими предпосылками создания электронной цифровой вычислительной техники являются развитие электроники и опыт, накопленный в процессе разработки счетно-аналитических машин на перфорированных картах.Работы, приведшие к созданию новой отрасли техники — электроники, были начаты в конце XIX в. учеными различных стран.В 1884 г. в статье �Явление в лампочке Эдисона� Т. Эдисон описал открытое им в процессе работы над усовершенствованием угольной осветительной лампы явление термоэлектронной эмиссии. В 1897 г. немецким физиком Брауном была изобретена электронно-лучевая трубка. В 1904 г. английский инженер Дж. Флеминг взял патент на применение электронно-лампового диода в качестве детектора радиотелеграфного приемника. Триод был изобретен в 1906 г. американским исследователем Ли де Форестом. В 1913 г. немецкий физик А. Мейснер запатентовал ламповый генератор незатухающих колебаний. В 1918 г. советский ученый М. А. Бонч-Бруевич изобрел ламповый триггер, сыгравший впоследствии огромную роль в развитии вычислительной техники.Схема, предложенная Бонч-Бруевичем, представляет собой двухкаскадный апериодический усилитель на электронных лампах с положительной обратной связью. Варианты этой схемы нашли широкое применение в электронике (счет импульсов, запоминание информации, переключение и релейная коммутация, формирование прямоугольных импульсов и т. д.). В основе различных модификаций этой схемы, для обозначения которой в настоящее время используется ряд терминов (статический триггер с двумя устойчивыми состояниями, полупериодический мультивибратор, реостатная спусковая схема, электронное реле и др.), лежит схема (см. рисунок).Показанный на рисунке двухкаскадный усилитель представляет собой симметричную схему с положительной обратной связью, которая обеспечивается передачей изменений на аноде одной из ламп на сетку другой лампы. Теоретически в идеально симметричной схеме после включения напряжений питания должен установиться один и тот же режим в обоих триодах. Однако в реальных схемах всегда возникает некоторая асимметрия анодных токов, которая при наличии положительной обратной связи лавинообразно нарастает и приводит к запиранию одной из ламп. Поскольку потенциал сетки запертого триода определяется делителем напряжения R1Rс2 (или R2Rc1,), данное состояние устойчиво и может быть изменено только внешним импульсом напряжения, достаточным для появления тока в закрытой лампе или уменьшения тока в открытой лампе. В этом случае происходит переброс триггера в новое устойчивое состояние.Триггеры позволяют сравнительно легко реализовать различные типы цифровых схем, в том числе для запоминания и счета информации. Так, одна триггерная схема может быть использована для запоминания одного разряда двоичного числа. Соответственно из некоторого количества триггерных схем может быть образован регистр, т. е. запоминающее устройство на одно число. Последовательное соединение триггеров (таким образом, чтобы сигнал с выхода одного триггера использовался в качестве входного сигнала для следующей триггерной схемы) позволяет реализовать счетчик, т. е. схему для счета последовательно поступающих импульсов.Первые электронные счетчики появились в 30-х годах и нашли широкое применение в ядерной физике в устройствах для счета заряженных частиц, где они использовались в качестве пересчетных схем, т. е. схем, у которых число импульсов на выходе в п раз меньше числа импульсов на входе. Необходимость разработки пересчетных схем была обусловлена тем, что в ряде случаев частота следования импульсов, зависящая от количества детектируемых заряженных частиц, так велика, что механический счетчик не может регистрировать их без просчета.С исторической точки зрения данное обстоятельство представляет особый интерес: впервые на практике механические методы счета, оказавшиеся неудовлетворительными, были заменены электронными методами. Первые электронные счетчики были выполнены на газоразрядных лампах. В 1930—1931 гг. в Англии Винн-Вильямсом были разработаны электронные счетчики на тиратронах. В дальнейшем наряду с тиратронными схемами стали использоваться схемы на вакуумных лампах. Счетчики на вакуумных лампах обеспечивали значительно более высокую скорость счета по сравнению с тиратронными схемами, что и обусловило их последующее применение в электронных ЦВМ.Наряду с созданием газоразрядных ламп продолжались совершенствование и разработка новых типов вакуумных приборов. В 1924 г. была разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетрод), а в 1930—1931 гг. — пятиэлектродные лампы с тремя сетками (пентод). Стремление уменьшить количество ламп в радиотехнических схемах, а также повысить экономичность аппаратуры привело к разработке комбинированных ламп.К началу 40-х годов, т. е. ко времени появления первых проектов автоматических вычислительных систем, получила развитие теория электронных цепей, причем электронные схемы широко применялись во многих областях техники, прежде всего в радиотехнике. Зарождались телевидение и радиолокация, развивалась электронная контрольно-измерительная техника. Таким образом, был накоплен существенный опыт в области проектирования электронных схем и появились потенциальные возможности применения электронных приборов в вычислительных устройствах.Универсальные ЦВМ с программным управлением, выполненные на электромеханических элементахРазвитие перфорационной вычислительной техники, а также успехи в области применения электромеханических реле (например, в автоматических телефонных станциях) позволили в 30— 40-х годах осуществить проекты, адекватные по своим масштабам проекту Ч. Бэббиджа. Иными словами, в первой трети XX в. были созданы технические условия для реализации проектов универсальных электромеханических ЦВМ, предназначенных для выполнения сложных научно-технических расчетов. Заметим, что приблизительно к тому же времени появились технические возможности реализации ЦВМ на электронных лампах. Более того, проектирование первых электромеханических и электронных ЦВМ с программным управлением происходило почти параллельно. Однако хронологически первыми появились все же электромеханические машины, причем опыт, полученный в ходе их разработки и эксплуатации, сыграл значительную роль в разработке первой электронной ЦВМ.Первые универсальные электромеханические ЦВМ с программным управлением были созданы в Германии и США в первой половине 40-х годов. Наиболее значительная роль в разработке данных проектов принадлежит немецкому инженеру К. Цузе и американским ученым Г. Айкену и Дж. Стибицу. При этом работы К. Цузе, несколько опередившие проекты американских ученых, не были известны в США.Работа по первому проекту Цузе (модель Ц-1) была начата в 1936 г. и продолжалась в течение двух лет. Машина Ц-1 была выполнена полностью на механических элементах, что явилось причиной ее неудовлетворительной работы. В следующем варианте (Ц-2), который Цузе стал разрабатывать сразу после завершения модели Ц-1, в качестве схемных элементов были использованы электромагнитные реле. Работа над Ц-2 не была завершена. В сентябре 1939 г. гитлеровская Германия, напав на Польшу, развязала вторую мировую войну. В этих условиях самостоятельная научно-исследовательская работа (разработка моделей Ц-1 и Ц-2 велась Цузе по собственной инициативе и на собственные средства) была практически невозможна. Но работой Цузе заинтересовались в армии. Исследовательский центр ВВС финансировал работу Цузе над проектом автоматической ЦВМ. В 1941 г. Цузе закончил работу над машиной Ц-3. Эта машина, выполненная полностью на электромагнитных реле, явилась первой в мире универсальной автоматической ЦВМ с программным управлением. Рабочая программа задавалась на 8-каналь-ной перфорированной ленте, в качестве которой использовалась обычная кинолента. Машина выполняла восемь команд, в состав которых входили четыре арифметических действия (в том числе пять команд умножения) и извлечение квадратного корня. Все вычисления производились в двоичной системе счисления с плавающей запятой. Длина машинного слова составляла 22 двоичных разряда (включая 14 разрядов мантиссы, 7 разрядов порядка и 1 разряд, отводимый на знак числа). Операция сложения выполнялась за 0,3 сек, умножения — за 4—5 сек. Всего в машине использовалось 2600 реле, в том числе 600 — в арифметическом устройстве. Емкость памяти, выполненной на релейных схемах, составляла 64 числа. В начале 1945 г. Цузе закончил разработку усовершенствованного варианта машины Ц-3 (модель Ц-4). Благодаря высокой надежности эта модель находилась в эксплуатации вплоть до 1959 г. (в 1950—1954 гг. в Швейцарском технологическом институте, в 1955—1958 гг.— в министерстве обороны Франции).Реализация проекта Г. Айкена началась в 1939 г. на базе стандартных деталей перфорационных устройств, выпускавшихся фирмой �ИБМ� (США). В августе 1944 г. разработки были завершены, машина MAPK-I была передана заказчику (Гарвардскому университету) и эксплуатировалась в дальнейшем в течение 15 лет.
Устройство управления машиной состояло из зубчатого колеса, которое перематывало �управляющую� перфоленту. Для записи одной команды использовался один ряд пробивок на перфоленте (24 отверстия). В число пяти основных операций входили четыре арифметических действия и операция отыскания в таблицах требуемых величин. Скорость движения перфоленты составляла 200 шагов в 1 мин. За один шаг перфоленты выполнялись операции сложения и вычитания (0,3 сек.). Умножение и деление производились соответственно за 5,7 и 15,3 сек. Все операции выполнялись в десятичной системе счисления. Сложение и вычитание осуществлялись накапливающим сумматором, состоящим из 72 электромеханических счетчиков, в каждом из которых использовались 24 цифровых колеса (23 колеса — для одного десятичного числа и одно — для знака числа). Наряду с сумматором в машине применялись устройства для выполнения различных математических действий (множительно-делительное устройство, функциональные счетчики для вычисления логарифмических и тригонометрических функций и три интерполятора). Для запоминания данных служили 72 счетчика сумматора и память на релейных схемах с ручной установкой данных емкостей 60 чисел. Все переключатели, примененные в машине, были выполнены на электромагнитных реле. Для пересылки данных из одного устройства в другое использовались электрические импульсы амплитудой 50 в, передаваемые по одноканальной числовой шине. Привод механических устройств (устройство управления, цифровые колеса сумматора, интерполяторы) осуществлялся через систему зубчатых передач от одного мотора мощностью 5л. с.Сравнивая MAPK-I с машиной Ц-3, следует отметить, что машина Цузе с точки зрения схемно-структурных решений превосходила машину Айкена. Ц-3 была выполнена полностью на электромагнитных реле, в то время как в MAPK-I использовались как релейные, так и механические элементы. Операции в машине Ц-3 выполнялись в двоичной системе счисления, причем машина имела встроенное устройство для перевода исходных десятичных чисел в двоичный код. Применение плавающей запятой в Ц-3 обеспечивало более широкий диапазон представимых чисел. Однако влияние обоих проектов на развитие вычислительной техники было различным. Хотя работы Цузе хронологически предшествовали работам Айкена и по ряду идей были передовыми, проект MAPK-I, широко известный как в США, так и за их пределами, оказал значительно более существенное влияние на дальнейшее развитие вычислительной техники, прежде всего на последующие проекты релейных ЦВМ. Работы Цузе ряд лет оставались неизвестными за пределами Германии. Единственной машиной Цузе, сохранившейся после окончания войны, явилась упоминавшаяся выше модель Ц-4, установленная в 1954 г. в Швейцарском технологическом институте (Цюрих). Машина Ц-3, так же как и первые модели (Ц-1 и Ц-2), не сохранилась. К тому времени, когда Цузе возобновил свои исследования (в 1953 г. была создана новая релейная модель Ц-5), вычислительная техника сделала огромный шаг вперед. Были созданы первые электронные ЦВМ, серийное производство которых стало налаживаться в США, СССР и Великобритании. Таким образом, вторая мировая война явилась основной причиной того, что работы Цузе не сыграли существенной роли в развитии вычислительной техники, а идеи конструкции Ц-3 не получили должной оценки. В подавляющем большинстве специальных исследований по истории ЦВМ и исторических справок в монографиях по вычислительной технике авторы после рассмотрения или упоминания работ Бэббиджа переходят сразу к работам Айкена, причем MAPK-I рассматривается как первая в мире программно-управляемая автоматическая ЦВМ.Наряду с работами Цузе и Айкена существенную роль в создании первых автоматических ЦВМ, предназначенных для выполнения сложных научно-технических расчетов, сыграли работы американского ученого Дж. Стибица. После получения в 1930 г. докторской степени за исследования по математике Стибиц поступил на работу в компанию �Белл телефон лабораториз�. В 1937 г. он заинтересовался проблемой конструирования вычислительных устройств на электромагнитных реле и в 1938 г. разработал вычислительную машину (�Белл-I�), способную оперировать с комплексными числами.Эта машина не имела устройств автоматического управления и по производительности ее можно сравнить с малыми вычислительными машинами. В 1940 г. дистанционное управление машиной �Белл-I� было продемонстрировано на заседании Американского математического общества в г. Дартмуте. Эта демонстрация состояла во введении в машину двух комплексных чисел, передаваемых в Нью-Йорк по телеграфу, и в получении произведения этих чисел на телетайпе, установленном в зале заседания. Демонстрация имела большой успех среди участников заседания, в числе которых были Н. Винер и Дж. Маучли, будущий конструктор первой электронной ЦВМ.В 1942 г. под руководством Стибица был сконструирован релейный интерполятор (машина �Белл-II�), насчитывающий около 500 реле и автоматически управляемый программой, записанной на перфоленте. Эта машина имела объем памяти в пять пятизначных десятичных чисел. В машинах �Белл-I� и �Белл-II� были использованы стандартные детали, аппаратура и схемы, применяемые в автоматических телефонных станциях. В машине �Белл-II� впервые была применена разработанная Стибицем встроенная схема обнаружения ошибок: если не срабатывало требуемое реле, машина останавливалась.В 1944 г. Стибиц приступил к разработке мощной универсальной ЦВМ с программным управлением (машина �Белл-V�), выполненной на электромагнитных реле. Эта машина, изготовленная в двух экземплярах, была закончена в 1947 г., т. е. уже после создания первой ЭВМ ЭНИАК. Машина �Белл-V� содержала более 9 тыс. реле и около 50 устройств из числа применяемых в телетайпной связи. Машина весила около 10 т (вдвое больше, чем MAPK-I) и занимала площадь около 90 м2. В том же 1947 г. вычислительная лаборатория Гарвардского университета закончила постройку большой программно-управляемой ЦВМ МАРК-II, выполненной на электромагнитных реле (13 тыс. шестиполюсных быстродействующих реле, специально сконструированных для МАРК-II; время срабатывания реле 6—10 мсек). В машинах МАРК-II и �Белл-V� была использована плавающая запятая.С помощью программно-управляемых релейных машин, разработанных в 40-х годах, можно было выполнять широкий круг математических операций: составление математических таблиц, дифференцирование любого порядка, интерполирование с учетом разностей первого, второго и высшего порядков, численное интегрирование, гармонический анализ, суммирование и умножение рядов, вычисления по методу наименьших квадратов, вычисления методом последовательных приближений, подбор экспериментальных формул и т. д.Однако скорость выполнения операций была сравнительно низкой. Так, машина �Белл-V� производила арифметические действия над 7-разрядными десятичными числами со следующими скоростями: сложение и вычитание — 0,3 сек, умножение — 1 сек, деление — 2,2 сек., извлечение квадратного корня — 4,3 сек.Машина МАРК-II при работе с 10-разрядньши десятичными числами выполняла операцию сложения за 0,2 сек, а умножение — за 0,7 сек.ЦВМ с таким порядком быстродействия не могли стать основой для революционных изменений в областях техники, развитие которых существенным образом зависит от объема вычислений, выполняемых при конструировании и функционировании соответствующих систем (атомная техника, космическая техника, реактивная авиация и т. д.). Повышение скорости работы ЦВМ могло произойти только в результате качественного технологического скачка, созданного применением электронных элементов. Соответствующие условия для этого были подготовлены всем предшествующим развитием электроники. Поэтому практически одновременно с началом работ над проектами автоматических релейных ЦВМ возникают идеи использовать электронные схемы вместо электромеханических.Интересный вопрос, который возникает в этой связи, заключается в следующем: сознавали ли Цузе, Айкен и другие конструкторы первых автоматических ЦВМ принципиальные преимущества электронных схем и почему они стремились решить новую проблему (создание автоматических ЦВМ) старыми методами — па основе механических и релейно-контактных элементов? Однозначный ответ на данный вопрос дает Н. Винер, хорошо знакомый с обстоятельствами развития вычислительной техники в США: �Меня очень удивило, что Айкен в качестве основных элементов своей машины выбрал сравнительно медленно действующие механические реле, не придав особого значения громадному увеличению скорости вычислений, которого можно было бы достигнуть, используя электронные реле. Порочность этой точки зрения в настоящее время очевидна, в частности, благодаря самому Айкену, ставшему одним из наиболее энергичных и оригинальных изобретателей и конструкторов электронных вычислительных машин. Но тогда у него была какая-то странная причуда, заставлявшая его считать работу с механическими реле нравственной и разумной, а использование электронных релМашина Якобсона
Наиболее ранняя из сохранившихся в СССР счетных машин находится в музее М. В. Ломоносова в Ленинграде. Конструкция ее довольно оригинальна и представляет несомненный интерес.Машина выполнена в виде латунной коробки длиной 34,2 см, шириной 21,8 см и высотой 3,4 см на четырех точеных ножках диаметром 1,6 и высотой 1 см. На богато орнаментированной верхней крышке машины имеется ряд надписей и цифр. Приведем наиболее интересные из этих надписей.Одна и та же надпись по-немецки и по-польски: Mechanische Rechnungs Maschine; Machina Mechaniszna do Rachunku, т. e. механическая счетная машина.Надпись по-немецки с включением в ее текст нескольких слов и корней латинского происхождения; она как бы дополняет первую надпись: Zu der Aufgabe des Addirens, Subtantirens, Multiplicirens, und Devidirens von den Nummer Eins bis zu Tausend Millionen und ubrig bleibt von der Division und das kann man hier in der Bruchen zertheilen, т. е. к задаче сложения, вычитания, умножения и деления от числа один до тысячи миллионов и остающееся от деления можно здесь же расчленить на дроби.Наиболее интересная надпись также составлена из немецких и латинских слов: Erfunden und verfertigen von dem Hebreer Jewna Jacobson, Uhrmacher und Mechanicis in der Stadt Nieswiez in Lithauen, Gouvernement Minsk, т. е. изобретена и изготовлена Евной Якобсоном, часовым мастером и механиком в городе Несвиже в Литве, Минское воеводство.Время изготовления счетной машины не указано, однако его можно установить. Характер некоторых элементов этой счетной машины — форм отдельных ее деталей, их механической обработки и отделки, шрифтов надписей, орнаментов декоративной гравировки, форм и рисунка накладных декоративных розеток и т. д.— все это дает основание отнести время ее изготовления к XVIII в.О том, что счетная машина была изготовлена в XVIII в., указывает и последняя из приведенных надписей. В ней Несвиж назван городом Минского воеводства Литовского княжества, на самом деле он был таковым лишь до присоединения его в 1793 г., во время второго раздела Польши, к России. Следовательно, машина не могла быть изготовлена позднее этой даты.Если обратиться к истории Несвижа, то указанное время изготовления Якобсоном его счетной машины можно определить еще точнее.В 1726 г. известный польский магнат Михаил Радзивил превратил Несвиж в свою резиденцию. Большой любитель наук и искусств, он основал здесь арсенал, библиотеку, картинную галерею, типографию, где печаталась издававшаяся им газета, начал группировать вокруг себя художников, граверов, оружейников и мастеров многих других специальностей. В числе последних оказался, по-видимому, и Якобсон.На протяжении 40—80-х годов XVIII в. все эти художники, граверы и мастера выполнили множество ценных работ, оставивших заметный след в истории искусств и ремесленного производства. В эти годы, вероятнее всего, и была построена счетная машина Якобсона. Некоторые элементы декоративной отделки этой счетной машины дают основание считать, что она изготовлена не позже 1770 г. К сожалению, биографические сведения о Е. Якобсоне не сохранились. В конце XIX в. недалеко от Познани, в местечке Гнезно, в костеле имелась золотая чаша с гравированной надписью, указывающей, что ее изготовил в 1786 г. Ев. Якобсон.Не исключено, что, кроме изготовления часов и других механизмов, Якобсон из Несвижа занимался также и ювелирным делом, подобные случаи в те времена были нередки. Если это действительно был тот же Якобсон, то время изготовления им гнезнинской чаши (1786 г.) служило бы еще одним подтверждением его работы в указанные выше годы, а следовательно, и времени изготовления им счетной машины.Механизмы машины смонтированы на верхней крышке коробки с внутренней стороны, а на наружной сосредоточены все поводки для осуществления счетных операций и все шкалы.Вдоль верхнего конца крышки, через специальные отверстия, выведено девять поводков, являющихся осями расположенных под крышкой дисков с нанесенными на них цифрами от 0 до 9. Концевая часть каждого поводка имеет квадратное сечение, поэтому его можно было легко поворачивать с помощью специального ключа. Точно так же сделаны и все другие поводки, предназначенные для разных целей. Все ли поводки счетной машины поворачивались одним ключом (сечение у всех поводков одно и то же — 0,2 X 0,2 см) или каждый имел свой ключ, сейчас установить трудно, так как не сохранилось ни одного ключа. Ключи, с помощью которых осуществлялись непосредственно счетные операции, имели стрелки, позволявшие останавливать поводки при их вращении против определенных цифр на дуговых шкалах (о них будет речь ниже).Под каждым из девяти поводков — круглое окошко, в котором можно читатьлюбую из цифр диска при его вращении вокруг оси. Эти диски не связаны ни друг с другом, ни с прочими частями счетного механизма. Предназначены они для фиксирования начальных данных и промежуточных результатов вычислений.Несколько ниже указанных поводков и окошек на крышке расположены еще девять поводков, над каждым из них нанесена составляющая полуокружность — дуговая шкала с награвированными на ней до часовой стрелке цифрами от 0 до 9. Под каждой из шкал — значение ее цифр: Eins, Zehn, Hundert, Eins Tausend, Zehn Tausend, Hundert Tausend, Ernes Million, Zehn Million, Hundert Million, т. е. единицы, десятки, сотни, тысячи и т. д. до сотен миллионов. Расположены шкалы — по возрастанию значений их цифр оправа налево.Ниже каждого из этих поводков также имеется по окошку. Здесь они, в отличие от первых, квадратные, хотя и расположены в круглых лунках такого же примерно диаметра, как и окошки первого ряда. Через них читаются цифры, нанесенные на дисках поводков. Этот ряд предназначен для сложения любых чисел — лишь бы их сумма была меньше 109.Производится эта операция следующим образом. Ключом (или ключами) со стрелкой на шкалах набирается первое слагаемое, для чего на шкале единиц поворотом поводка ключом его стрелка устанавливается на соответствующую цифру единиц, на шкале десятков — на соответствующую цифру десятков, на шкале сотен — на соответствующую цифру сотен и т. д.После того как ключ отпущен рукой, доведенный на каждой из шкал до нужной цифры, поводок под действием специальной пружины автоматически возвращается в исходное положение, указывая стрелкой ключа на нуль.В результате такого набора в квадратных окошках (окошках считки) появляется первое слагаемое, а вся машина готова к набору следующего слагаемого. Второе слагаемое набирается таким же путем, как и первое. В результате второго набора в окошках считки появляется сумма двух первых чисел, а машина готова к набору следующего слагаемого и т. д.Ниже окошек считки расположен один ряд поводков, с помощью которых счетный механизм машины устанавливается в исходное положение, т. е. во всех окошках появляются нули.Еще ниже расположен другой ряд поводков. Над каждым из этих поводков нанесена дуговая шкала, такая же как и над поводками для сложения, только числа от 0 до 9 нанесены на ней против часовой стрелки. Этот ряд предназначен для вычитания любого числа или ряда чисел из числа, меньшего 10е. Об этом говорят также награвированная под второй и восьмой шкалами надпись �Subtrahierens�, что значит вычитание.Для вычитания из любого числа, которое уже набрано при помощи ряда сложения, необходимо вычитаемое число набрать при помощи поводков на этом последнем ряду. После каждого набора поводки под действием специальных пружин возвращаются в исходное положение, а результат вычитания можно прочитать в окошках считки. Машина находится в исходном положении для следующего сложения или вычитания, так как эти действия можно производить в любой последовательности.Для фиксации промежуточных результатов и первоначальных данных, кроме первого ряда окошек с поводками, имеется еще специальная съемная линейка, в которую вмонтировано шесть дисков с цифрами от 0 до 9 и соответствующими поводками.Специальный механизм для умножения чисел в машине отсутствует, но эту операцию с ее помощью также можно производить путем повторного сложения. Для этого над дуговыми шкалами ряда вычитаний нанесена таблица умножения, которую, впрочем, можно использовать и как таблицу деления. Около каждого поводка этого ряда награвирована цифра; около первого поводка — 1, около второго — 2 и т. д. до 9, а над цифрами дуговых шкал еще ряд чисел, свой для каждой шкалы. Например, над поводком, у которого стоит цифра 5, у дуговой шкалы над цифрами 0, 1, 2, 9 стоят такие числа: над 2 стоит 10, над 3 — 15 и т. д. до 45 над 9. Такая таблица умножения нанесена над всеми дуговыми шкалами поводков этого ряда — от 1 до 9.Деление выполняется как последовательное вычитание с фиксацией количества вычитаний. Делимое устанавливается при помощи ряда сложения, а делитель набирается последовательно при помощи ряда вычитаний до тех пор, пока в окошках считки либо появятся все нули, либо число меньшее, чем делитель, т. е. остаток. Количество произведенных вычитаний, т. е. частное от деления, читается в окошках считки ряда вычитаний. Пользуясь кинематической схемой машины, покажем, как действует машина при выполнении различных операций.При повороте поводка единиц ряда сложений поворачивается полудиск 1 против часовой стрелки. По краю полудиска расположены зубья, поМашины Шиккарда и Паскаля
Уже философы средневековья ставили вопрос о замене отдельных функций деятельности мозга человека некоторым механизмом. Одна из первых таких попыток относится не к созданию вычислительных машин, а к стремлению механически получать истинные выводы из данных посылок. Это была мыслительная машина средневекового испанского богослова и алхимика Раймонда Луллия. Длительное время Луллий был придворным при короле Якове Арагонском, затем стал монахом-отшельником. Свою машину он назвал �великим искусством�. Устроена она была следующим образом. На довольно большом неподвижном круге по окружности было написано девять вопросов: сколько? когда? где? какой из двух? какого качества? и др. Внутри круга друг над другом располагалось еще шесть уменьшающихся кругов, каждый из которых мог вращаться независимо от остальных. Вся конструкция несколько напоминала большую детскую пирамиду, состоящую из деревянных кружков уменьшающегося диаметра на общей оси. Каждый круг делился на девять секторов, в которых были сделаны надписи. В одном круге названия девяти грехов и добродетелей, в другом — главных физических свойств и т. п. Вращая те или иные круги, Луллий получал против вопросов главного неподвижного круга различные сочетания слов. Подавляющее большинство этих сочетаний было бессмысленным. Луллий не имел алгоритма и правил выбора из всевозможных комбинаций суждений истинных суждений.В течение примерно столетия многие увлекались �вертушкой� Луллия. Идея построить мыслительный прибор заинтересовала крупных ученых. �Великое искусство� Луллия привлекло внимание Джордано Бруно. В XVII в. �мыслительной рулеткой� занимался Афанасий Кирхер. Интересовался этим вопросом также и Г. Лейбниц.Попытки воспроизвести механически некоторые функции человеческого мозга (делать выводы, например, при помощи вертушки Луллия) можно встретить задолго до XVII в., когда были созданы первые механические счетные машины. XVII в. был необычным для науки веком — в это время создается математика переменных величин (анализ бесконечно малых), закладываются научные основы физики и механики, астрономии и химии, создаются и первые счетные машины.В 1623 г. В. Шиккард предложил первую, из известных ныне, счетную машину. В. Шиккард был с 1619 г. профессором восточных языков в Тюбингенском университете, а с 1631 г.— профессором математики и астрономии. Он находился в близких отношениях с И. Кеплером. Именно в архиве Кеплера в 1958 г. были обнаружены письма Шиккарда к Кеплеру, относящиеся к 1623 и 1624 гг., в которых составлена схема счетной машины и дано объяснение к ней. Документы с описанием машины Шиккарда затем были обнаружены и в архивных фондах библиотеки Штутгарта. Принцип действия этой машины восстановил тюбингенский профессор Б. Фрейтаг-Лёрингхофф. Машина Шиккарда была, по-видимому, известна очень узкому кругу лиц, о ней не сохранилось никаких упоминаний в работах и письмах современников. Именно поэтому �до последнего времени считалось, что первый арифмометр изобрел в 1642 г. Блез Паскаль. В публикациях последних лет часто, по традиции (теперь уже ошибочно), утверждается то же самое.Машина Шиккарда состояла из трех частей: суммирующего устройства (для выполнения сложения и вычитания), множительного устройства и механизма для записи промежуточных результатов. Суммирующее устройство — 6-разрядная суммирующая машина — представляло собой соединение зубчатых передач. На каждой оси было по одной шестерне с десятью зубцами и по вспомогательному однозубому колесу (палец). Этот палец служил для того, чтобы дискретно передать десяток в следующий разряд: чтобы поворачивать шестеренку следующего разряда на 1/10 оборота, после того как предыдущая шестерня сделает полный оборот. Вычитание достигалось вращением шестеренок в обратную сторону. В окошках машины (окошках считывания) было видно выбранное число (слагаемого или уменьшаемого), а также все последующие результаты. Вычисление суммы (и разности) состояло только в наборе слагаемых (уменьшаемого и вычитаемого) и считывания результата. Деление заменялось повторным вычитанием делителя из делимого.Умножение производилось следующим образом. На параллельных шести осях были навернуты таблицы умножения. В развернутом виде каждая таблица выглядела следующим образом:
Перед осями с навернутыми на них таблицами была устроена панель с девятью рядами окошек (шесть в каждом ряду — по числу навернутых таблиц умножения). Каждый ряд мог открываться и закрыватьНачало истории
История цифровой вычислительной техники, т. е. техники, основанной на использовании устройств дискретного счета, созданных человеком для механизации процессов обработки информации,— одна из наименее разработанных тем в истории науки.Исторически механизация процессов обработки информации осуществлялась двумя путями: 1) создание устройств, в которых числа изображаются в виде совокупности цифр, представленной в определенной системе счисления (устройства дискретного действия или цифровые устройства), 2) создание устройств с представлением чисел в виде определенных физических величин (длин, углов, электрических напряжений и т. д.). Последние получили название аналоговых, или устройств непрерывного действия.Существенное отличие цифрового устройства от аналогового заключается в том, что точность вычислений, выполняемых цифровым устройством, в принципе не зависит от точности изготовления элементов. В качестве примера можно привести обычные счеты, технология которых, как известно, не отличается особой сложностью. В аналоговых устройствах предъявляются более или менее высокие требования к точности изготовления компонентов. Типичным примером в этом отношении является логарифмическая линейка.Развитие вычислительных устройств в конечном итоге привело к созданию сложных электронных систем — как цифровых, так и аналоговых. При этом в последнее время наблюдается тенденция к интеграции обоих направлений развития вычислительной техники путем создания комбинированных (гибридных) систем, сочетающих свойства как аналоговых, так и цифровых устройств.Не задаваясь целями прогнозирования дальнейшего развития взаимосвязи обоих направлений вычислительной техники, а также не затрагивая проблематичного вопроса о принципиальных достоинствах и недостатках цифровых и аналоговых устройств, отметим, что в настоящее время преобладают цифровые вычислительные машины (ЦВМ), прежде всего электронные.Преобладающая роль электронных ЦВМ в совокупности средств вычислительной техники определяется, в частности, такими факторами, как крупный объем их производства, высокая суммарная вычислительная мощность, быстрый рост производства и т. д.С начала 60-х годов наблюдается широкое внедрение электронной технологии в перфорационную и клавишную вычислительную технику. В клавишной вычислительной технике все шире используются настольные и карманные ЦВМ на интегральных схемах. Все более широко применяется электроника в перфорационных вычислительных комплектах. По мере применения электроники в перфорационной вычислительной технике все труднее провести грань между электронными вычислительными перфораторами и малыми универсальными электронными ЦВМ. Таким образом, в настоящее время клавишная и перфорационная техника идут по технологическому пути универсальных электронных ЦВМ, что дает основание объединить развитие всех основных средств современной цифровой вычислительной техники единой системой периодизации.Данный сайт является первой попыткой развернутого исторического изложения процесса развития цифровой вычислительной техники. Основное внимание в ней уделяется вычислительным машинам, их технологии, структуре и роли в системе технических средств современной научно-технической революции. Как известно, эволюция математических машин неразрывно связана с появлением новых и быстрым развитием ряда возникших ранее областей математики. Здесь имеются в виду разделы математики, связанные как с разработкой и функционированием ЭВМ (теория математических машин, теория программирования, вычислительная математика, алгебра логики и др.), так и с применением ЭВМ в различных сферах человеческой деятельности (ряд разделов комбинаторики, теория вероятности, математическая статистика, теория игр, математическое программирование, теория информации, теория систем управления и др.). Поскольку перечисленный комплекс теорий охватывает значительную часть всей современной математики, авторы только в необходимых случаях приводят данные о разработке математических средств, оказавших наибольшее влияние на развитие ЭВМ.Начало производства счетных машин (машина Томаса)
К началу XIX в. все острее ощущалась необходимость в счетной машине, простой и удобной в употреблении, надежной в работе. Все машины до этого времени изготовлялись в одном или, в лучшем случае, в нескольких экземплярах. На них или совсем не работали, или работал сам изобретатель. Часто эти машины были несовершенны и сложны, дороги в изготовлении. В этот период многие изобретатели и математики начали разрабатывать вопросы, связанные со счетными машинами. Появляются различные машины — одни более, другие менее удачные.Производство счетных машин впервые наладил эльзасский уроженец Карл Томас, основатель и руководитель двух парижских страховых обществ (�Феникс�, �Солейль�). В 1818 г. он сконструировал, а в 1820 г. построил счетную машину, которую назвал арифмометром. В 1821 г. в мастерских Томаса было изготовлено 15 арифмометров, затем их выпуск был доведен до 100 штук в год. В работе приведены следующие данные о выпуске арифмометров Томаса во Франции:40% этих арифмометров оставались во Франции, 60% вывозились в другие страны.Томасом было положено начало счетному машиностроению. Его арифмометры выпускались (часто под разными названиями) в течение 100 лет и, естественно, в них вносились изменения. Но уже первые арифмометры были удобны в обращении и работали с довольно большой скоростью. Например, два 8-значньтх числа можно было умножить друг на друга примерно за 15 сек., а разделить16-значное число на 8-значное — за 25 сек. Счетные машины, в которых был заложен тот же принцип, что и в арифмометре Томаса, получили название томас-машин.В основу арифмометра Томаса был положен ступенчатый валик Лейбница. На поверхности ступенчатого валика в машине имеется девять зубцов, причем второй зубец в два раза длиннее первого, третий — в три и т. д. Против каждого ступенчатого валика находится установочная зубчатка, имеющая возможность двигаться вдоль четырехгранной оси. В машине столько ступенчатых валиков с соответствующими установочными зубчатками, сколько знаков имеет наибольшее число, которое можно установить на машине. Все валики расположены рядом.Передвижение установочной зубчатки производится с помощью ползуна, заканчивающегося на крышке машины кнопкой и имеющего внизу вилку, которая с двух сторон охватывает зубчатку. Кнопки свободно двигаются по прорезям (установочным шлицам); связанная с кнопкой стрелка указывает на цифры шкалы. Установочные кнопки служат для установки слагаемого или множителя.Когда, после установки слагаемого, начнут вращаться ступенчатые валики, то их зубцы войдут в зацепление с противолежащими зубчатками и повернут их на то или иное число зубцов, в зависимости от занимаемого данной зубчаткой положения на четырехгранной оси. Если, например, кнопка установлена против цифры 1 шкалы, то при этом установочная зубчатка занимает такое положение на четырехгранной оси, что при вращении валика она может быть повернута лишь одним (самым длинным) его зубцом и повернется всего на один зубец. При установке кнопки против цифры 2 установочная зубчатка займет такое положение относительно валика, что будет захвачена двумя его зубцами и повернута на два зубца и т. д.На конце четырехгранной оси насажена муфта h, передвигающаяся по оси, на концах ее имеются две конические зубчатки i1 и i2, зубцы которых стоят друг против друга. Обе эти зубчатки могут входить в зацепление с находящейся между ними третьей конической зубчаткой k. Эта последняя неразрывно связана с цифровым диском счетчика. Таким образом, четырехгранная ось вращается при помощи установочной зубчатки, передает движение муфте и коническим зубчаткам i1 и i2. Муфта с коническими зубчатками может быть передвинута вдоль оси вперед или назад, так что либо передняя коническая зубчатка i1, либо задняя i2 входят в зацепление с верхней конической зубчаткой k. В итоге движение установочной зубчатки с помощью конической зубчатки к передается цифровому диску. Вращение цифрового диска может происходить в противоположных направлениях, в зависимости от того, какая из конических зубчаток, i1 или i2, будет в зацеплении с зубчаткой к. Таким образом, вращение цифрового диска будет происходить либо в положительном, либо в отрицательном направлении в зависимости от положения муфты h5. Перемещение муфт для перемены направления вращения достигается при помощи особой планки, проходящей между зубчатками всех реверсивных муфт. Состояние счетной техники перед переходом к электромеханическим машинам
Как мы видели, крупнейшими достижениями в счетной технике рассматриваемого периода механических счетных машин было изобретение Лейбницем ступенчатого валика, широко использовавшегося в томас-машинах, и изобретение колеса с переменным числом зубцов (колеса Однера). В этот период было очень много и других изобретений, сыгравших видную роль в развитии вычислительных машин.В первую очередь сюда следует отнести суммирующую машину П. Л. Чебышева с непрерывной передачей десятков, затем отметить машину прямого умножения Болле, машину с пропорциональным рычагом и др.В 1855 г. Шейц в Швеции предложил записывающую счетную машину. Запись производилась на специальной свинцовой пластинке; фактически это была не запись, а чеканка результатов. Естественно, что такой несовершенный способ записи не получил распространения, но он подтолкнул творческую мысль многих исследователей в этом направлении. В 1888 г. К. Барроуз в США получает первый патент на суммирующую записывающую машину, которую он строит в 1892 г. Эта машина была уже клавишной. Рычажный набор чисел, который существовал почти во всех счетных машинах, имеет свои недостатки. Основной из них состоит в том, что, набирая числа, легко допустить ошибку, не доведя или переведя рычаг относительно нужной цифры. Значительно удобнее клавишный набор чисел.В 1896 г. Фельт и Тарран из Чикаго сконструировали клавишную счетную машину для четырех арифметических действий. Она принципиально отличалась от всех предшествующих. Ее размеры 35X25X12 см. На верхней крышке ящика находится восемь горизонтальных и девять вертикальных рядов пронумерованных клавишей. На всех клавишах первого горизонтального ряда стоят цифры 1 и 8, причем первая более крупная; на всех клавишах второго ряда — 2 и 7, далее 3 и 6 и т. д. до 9 и 0. При нажатии на клавишу в соответствующем окне считки появляется нужная цифра. Все девять клавишей одного и того же вертикального ряда при опускании надавливают на один и тот же рычаг. На конце рычага находится зубчатая полоса с девятью зубцами, которые соединены с цифровым колесом. После нажатия клавиша под действием пружины возвращается в исходное положение. Передача десятков осуществляется при помощи длинного пальца.Сложение сводится к набору слагаемых на клавишах. Умножение производится как ряд последовательных сложений. Вычитание заменяется сложением с дополнением к вычитаемому, для этого на каждой клавише и имеется вторая цифра меньшего размера (которая с основной цифрой в сумме дает 9). Деление сводится к ряду вычитаний.Прибор Фельта и Таррана по сравнению с другими арифмометрами получает результат при сложении и вычитании значительно быстрее. При умножении не очень больших чисел выигрыш в скорости также существует, который исчезает, если числа велики. При делении этот прибор никаких преимуществ не дает. Недостатком прибора является то, что сомножители нигде не фиксируются и нет уверенности в правильности их набора. Ошибки, допущенные в нажатии клавиши: клавиша нажата слишком слабо, нажата не та клавиша и т. п.,— ничем не обнаруживаются. В приборе много пружин, которые со временем ослабевают, и это ведет к ошибкам. К достоинствам следует отнести простоту устройства.Фельт и Тарран предложили еще одну машину, которая отличается от первой тем, что в ней на бумажной ленте получается отпечаток всех слагаемых, можно получить на ленте и все частные суммы. Емкость машины девять знаков.В скором времени клавишный набор чисел стал наиболее распространенным. Его стали использовать во всех существующих типах машин, как с валиком Лейбница, так и с колесом Однера. Наряду с полной клавиатурой начали выпускаться машины и с десятиклавишной клавиатурой установочного механизма. Десятиклавишные установочные механизмы оказались наиболее удобными в суммирующих машинах. В 1902 г. Г. Гопкинс в США предложил десятиклавишную суммирующую машину �Дальтон�. Широкое распространение получила суммирующая записывающая машина с десятью клавишами �Сендстранд�, которую начали выпускать в США в 1914 г. Аналогичная машина появилась в 1922 г. в Германии (�Астра�). С 1932 г. начали производиться десятиклавишные суммирующие машины (ДСМ) в СССР, с 1935 г. выпускаются машины марки КСМ (клавишная суммирующая машина).Как мы уже отмечали, клавишный набор чисел может быть приспособлен к любому типу с другим способом набора. Но в 1905 г. Г. Гаманн в Германии предложил новый принцип работы машины, который специально был приспособлен к клавишному набору. Этот принцип получил название пропорционального рычага.Общая характеристика
Десятилетний период преимущественного применения электровакуумных приборов в универсальных ЦВМ (50-е годы) характеризуется развертыванием серийного производства ЦВМ с хранимой программой, выделением электронной вычислительной техники в самостоятельную область техники, оказывающую влияние на развитие других областей научно-технического прогресса, и созданием электронной вычислительной промышленности в ряде экономически развитых стран.Первая электронная вычислительная машина ЭНИАК была построена в США, хотя технические предпосылки для создания электронно-вычислительных машин имелись во многих странах с высокоразвитой промышленностью, в том числе и в СССР. Но в результате военных действий второй мировой войны промышленность почти всех высокоразвитых государств сильно пострадала. Ущерб, нанесенный фашистскими захватчиками нашей стране, был колоссальным. Для США же годы второй мировой войны были годами бурного экономического развития. Обладая мощной промышленной базой, США имели возможность проводить разносторонние научные и технические исследования. Хотя большинство этих исследований было прямо или косвенно связано с военными нуждами, однако диапазон и размах научно-исследовательской работы были значительно шире, чем в других странах. Наиболее ярким примером может служить огромный объем работ по проекту �Манхеттен� (создание атомной бомбы). Постройка первой электронной ЦВМ также целиком финансировалась за счет военных ассигнований. Разумеется, это нисколько не умаляет выдающегося вклада конструкторов ЭНИАК в развитие вычислительной техники, хотя и показывает, что в США в тот период времени имелись наиболее благоприятные условия для реализации подобных проектов.После окончания второй мировой войны исследования в области электронной цифровой вычислительной техники развертываются во всех промышленно развитых странах. Особо здесь следует отметить успех ученых Великобритании, которые приблизительно на год раньше, чем их коллеги из США, ввели в эксплуатацию первые электронные ЦВМ с хранимой программой (машина ЭДСАК ЦВМ Манчестерского университета), т. е. впервые реализовали на практике идеи, выдвинутые Дж. Нейманом и другими учеными США. Существенную роль здесь сыграли работы Ф. Вильямса, создавшего первую электронно-лучевую память, М. Уилкса, под руководством которого был впервые разработан на практике метод библиотечных подпрограмм, и А. Тьюринга, разработавшего ряд программ для первых электронных ЦВМ. Развитие электронной вычислительной техники в Великобритании происходило в условиях широкого обмена информацией с научными коллективами США, т. е. страны, в которой в то время имелись наилучшие объективные условия для развития электронных ЦВМ (большой размах научно-исследовательских работ, мощная электронная промышленность, высокоразвитая экономика, обеспечивающая емкий внутренний рынок, финансирование со стороны военных организаций и т. д.).Несмотря на то, что исследования в области электронной вычислительной техники в Советском Союзе были начаты на несколько лет позже, чем в США и Великобритании, в сжатые сроки был разработан и реализован ряд проектов электронных ЦВМ. В 1952 г. в СССР была введена в эксплуатацию самая быстродействующая ЦВМ в Европе (БЭСМ), а в 1953 г. создана машина �Стрела�, явившаяся первой в Европе серийной ЦВМ высокого класса. Наряду с С. А. Лебедевым, Б. Я. Базилевским, И. С. Бруком, Б. И. Рамеевым и другими учеными, руководившими работой над проектами первых отечественных электронных ЦВМ, значительный вклад в развитие мировой вычислительной техники внесли советские математики. Операторный метод программирования, разработанный под руководством А. А. Ляпунова и М. Р. Шура-Бура, стал одной из основ дальнейшего развития идей в области программирования.Вслед за США, Великобританией и СССР теоретические и практические исследования в области электронной цифровой вычислительной техники были начаты в других европейских странах и Японии. Прежде всего здесь необходимо отметить исследования, развернувшиеся во Франции и Швеции. В обеих странах имелась солидная промышленная база для проведения соответствующих исследований. Так, во Франции фирма �Булль�, основанная в 1931 г., являлась наиболее крупной европейской фирмой в области счетно-аналитической техники. Именно эта фирма и начала широкие исследования в области электронных ЦВМ. Однако первые ее разработки были привязаны к выпускаемым фирмой счетно-перфорационным машинам и по существу являлись электронными приставками к электромеханическим перфораторам. Так, в 1951 г. фирма разработала электронную ЦВМ �Гамма-3�, предназначенную для работы в комплексе с электромеханическим перфорационным оборудованием и не имевшую внутренней памяти для записи программы. В дальнейшем на базе �Гамма-3� (путем добавления запоминающего устройства на магнитном барабане, устройства управления и т. д.) было разработано несколько моделей серийных ЦВМ с хранимой программой (�Гамма-ЗЕТ, �Гамма-ординатор� и др.).Начало разработок в области электронных ЦВМ в Швеции связано с деятельностью фирмы �Атвидабергс индустриер�, которая с 1921 г. (после приобретения завода вычислительных машин) стала одной из крупнейших европейских фирм по производству и экспорту клавишных и перфорационных машин. В 1950 г. фирма построила универсальную ЦВМ БАРК на электромеханических реле. В том же году по правительственному заказу была начата разработка универсальной электронной ЦВМ БЭСК с памятью на электронно-лучевых трубках. В работе над проектом принимали участие научно-исследовательские институты Швеции и Дании. В 1953 г. машина была введена в постоянную эксплуатацию в вычислительном центре в Стокгольме. Несколько машин типа БЭСК было затем построено правительственными организациями и фирмами Швеции. При этом первоначальный вариант подвергся некоторой модификации. В частности, в состав машины было включено оперативное запоминающее устройство на ферритовых сердечниках емкостью 1024 40-раэрядных двоичных числа. С 1957 г. на базе БЭСК было начато серийное производство ЦВМ �Фацит — ЕДБ�, оригинальной особенностью которой являлась внешняя память на магнитной ленте с квазипроизвольной выборкой (система типа �Карусель�).Несколько позже развитие электронной вычислительной техники началось в Японии, ФРГ и Италии. До второй половины 50-х годов работы в данной области ограничивались преимущественно теоретическими и экспериментальными исследованиями.Начало исследований в Японии в области автоматических ЦВМ связано с деятельностью электротехнической лаборатории министерства внешней торговли и промышленности. В 1952 г. была разработана релейная машина ЭТЛ MAPK-I, а в 1955 г.— релейная ЦВМ ЭТЛ МАРК-Н. Первая электронная ЦВМ в Японии (машина �Фуджик� с памятью на ультразвуковых линиях задержки) была разработана фирмой �Фуджи Филм� и введена в эксплуатацию в 1956 г. Эта же машина явилась первой серийной ЦВМ японского производства.В ФРГ исследования в области электронной вычислительной техники были начаты в 50-х годах рядом институтов (Институт прикладной математики Дармштадской высшей технической школы, Институт связи и измерительной техники в Мюнхене, Приборный институт общества Планка в Геттингене) и фирм (�Цузе, �Сименс унд Гальске�, �Телефункен�, �Стандарт Электрик ЛореНц�). В результате было спроектировано и построено несколько экспериментальных электронных ЦВМ. Серийное производство началось только в 1958 г.Характерной особенностью развития электронных ЦВМ в Японии и ФРГ является то, что периоды электровакуумных элементов и элементов на твердом теле не отделены заметным интервалом времени. Так, в ФРГ в одном и том же году (1958) были выпущены первая серийная ламповая ЦВМ (�Цузе-22Р�) и первая серийная ЦВМ на полупроводниках (�Спмснс-2002�). В Японии в 1956 г. наряду с первой ламповой ЦВМ �Фуджик� была разработана машина ЭТЛ МАРК-III, выполненная преимущественно на полупроводниковых схемах.Аналогичная ситуация наблюдалась в Италии, где серийный выпуск электронных ЦВМ был начат с полупроводниковых моделей (ЭЛЕА-9003 и ЭЛЕА-6001), разработанных крупнейшей итальянской фирмой в области вычислительной техники �Оливетти� (основана в 1908 г.).Наряду с рассмотренными выше странами исследования в области электронных ЦВМ были начаты и в других промышленно развитых странах Европы. В Голландии они были начаты Математическим центром, организованным в 1946 г. В Математическом центре в 1954 г. была разработана ламповая ЦВМ �Арра� с памятью на магнитном барабане, а в 1956 г. машина �Армак� с памятью на ферритовых сердечниках. Серийное производство было налажено в 1958 г. (машина Х-1 фирмы �Электрологика�). Первая электронная ЦВМ в Дании (машина �Даек�) была разработана в 1958 г. Институтом математических машин, созданным в 1953 г. По структуре и характеристикам эта ламповая машина явилась вариантом шведской машины БЭСК. В 1960 г. институт разработал полупроводниковую ЦВМ ЖИЕР с памятью на ферритовых сердечниках. В Швейцарии первая ЦВМ �Эрмет� была построена фирмой �Хаслер� в 1955 г. Этамашина, установленная в федеральном технологическом институте в Цюрихе, имела запоминающее устройство па магнитном барабане и была выполнена на 1700 электронных лампах и 7000 германиевых диодах.Краткое рассмотрение начала развития электронной цифровой вычислительной техники в различных странах показывает, что наибольшее значение для эволюции машин первого поколения имели результаты работ, проводимых в США, Советском Союзе и Великобритании. В других промышленно развитых странах, таких как Франция, ФРГ и Япония, период ЦВМ первого поколения не получил существенного развития. Во всяком случае первые оригинальные проекты, оказавшие влияние на развитие мировой вычислительной техники (например, проект французской машины �Гамма-60�), и первые крупные достижения в области разработки новых элементов, ориентированных на применение в ЦВМ (например, создание параметронов и туннельных диодов в Японии), связаны в этих странах с развитием машин на полупроводниках и других элементах, выполненных на основе твердого тела. Данное обстоятельство определило схему дальнейшего изложения. В следующем разделе рассмотрены наиболее важные с исторической точки зрения проекты ЦВМ с хранимой программой, разработанные США, СССР и Великобритании. В последнем разделе данной главы рассматривается основная схема развития универсальных электронных ЦВМ первого поколения с точки зрения эволюции их технологических и структурных особенностей.Общая характеристика
Создание и совершенствование машин второго поколения, т. е. машин, выполненных на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах, явилось качественно новым шагом на пути развития электронной цифровой вычислительной техники.Производительность универсальных машин большой вычислительной мощности, машин среднего класса и малых электронных ЦВМ возросла по сравнению с соответствующими типами ламповых ЦВМ приблизительно на два порядка величины. Одновременно с этим на несколько порядков величины улучшились показатели надежности и приблизительно на порядок величины.В целях иллюстрации значительного повышения производительности машин, связанного только с заменой ламп транзисторами (без каких-либо существенных схемно-структурно-программных усовершенствований), рассмотрим две серийные универсальные ЦВМ, выпущенные фирмой �ИБМ�: модель 709 и модель 7090. Обе модели — ЦВМ высокого класса, предназначенные для выполнения расчетов как научно-технического, так и коммерческого характера. Интервал времени, отделяющий даты ввода в эксплуатацию первых экземпляров данных моделей, составляет 21 месяц: август 1958 г. (ИБМ-709) — июнь 1960 г. (ИБМ-7090). По своей структуре модель 7090 — полупроводниковый вариант ламповой модели 709 и по производительности превосходит ее приблизительно на порядок величины При работе с двоичными числами длиной 36 разрядов операция сложения выполнялась машиной ИБМ-7090 за 4,4 мксгк, а машиной ИБМ-709 за 24 мксек. Машины имели сопоставимую емкость оперативной памяти на ферритовых сердечниках: модель 709 — от 4 до 32 тыс. чисел в зависимости от количества используемых блоков, модель 7090 — 32 тыс. чисел. При этом время полного цикла запоминающего устройства составляло для модели 709 12 мксек, а для модели 7090 — 2,2 мксек.Изменение характеристик привело к существенному расширению областей применения электронных ЦВМ как за счет повышения их быстродействия, т. е. расширения класса решаемых задач, так и за счет снижения веса, габаритов и потребляемой мощности с результирующим применением в авиации, космической технике, управляющих системах, работающих в действительном масштабе времени, и т. д. В свою очередь расширение областей применения оказалось мощным фактором, стимулирующим рост парка электронных ЦВМ и соответственно масштабы их производства.Рассматривая роль постулированных в первой главе факторов повышения производительности электронных ЦВМ, необходимо отметить следующее. В процессе создания и совершенствования машин второго поколения огромную роль сыграли изменения в структуре ЦВМ, в частности развитие различных форм параллельной работы, т. е. совмещение во временя процессов выполнения частей одной машинной команды, последовательности нескольких машинных команд и участков одной или нескольких программ. Роль структурного, точнее структурно-программного, фактора возросла, и его удельный вес в повышении производительности машин стал сопоставим с удельным весом физико-технологического фактора, т. е. фактора, обусловленного совершенствованием технологии и разработкой элементов на новых физических принципах. В этом отношении показательна разработка одного из наиболее крупных проектов ЦВМ второго поколения — проекта СТРЕТЧ (фирма �ИБМ�, США).Важнейшей задачей проекта было создание универсальной ЦВМ, производительность которой была бы в 100 раз выше, чем производительность машины ИБМ-704, т. е. самой быстродействующей ЦВМ в мире по состоянию на 1956 г. (см. табл. 2).В начале работы над проектом (1955 г.) учитывались перспективы совершенствования элементов ЦВМ, в частности переход на транзисторную технику. В то же время предварительная оценка ближайших (на 3—4 года вперед) перспектив показала, что за счет применения новых схем и новой технологии удастся выполнить только часть задачи, а именно повысить производительность на порядок величины по сравнению с ИБМ-704. Один из авторов проекта Ф. Брукс мл. следующим образом описывает возникшую ситуацию: �Предполагалось, что ожидавшиеся технические усовершенствования позволят строить разработку, используя новые запоминающие устройства на магнитных сердечниках с циклом 2 мксек, новые транзисторные схемы с задержками 10—20 нсек на каскад и соответствующие новые методы монтажа и компоновки схем. Новая транзисторная техника обеспечивала не только высокие скорости работы, но и новый уровень надежности, который делал небезосновательным рассмотрение машины с сотнями тысяч элементов. Для того чтобы завершить создание машины к заданному сроку, было решено пойти на риск, связанный с разработкой компонентов и отдельных устройств машины одновременно с ее проектированием в целом. По сравнению с машиной ИБМ-704 быстродействие новых схемных элементов могло быть повышено только в 10—20 раз, а новых запоминающих устройств — только в шесть раз. Для достижения значительного быстродействия требовалась новая организация системы�.Именно новые структурные решения обеспечили в конечном итоге приближение к поставленной цели.В то же время необходимо подчеркнуть, что развитие структур универсальных ЦВМ, а также новые схемотехнические решения, тоже оказавшие влияние на повышение производительности машин, осуществлялись на базе транзисторной техники, т. е. элементов с лучшими характеристиками, в частности со значительно более высоким сроком службы, чем электронные лампы. Именно основные параметры транзисторов, включая надежность, сопоставимую с надежностью таких пассивных элементов, как сопротивления и конденсаторы, во многом обеспечивали реализацию новых структурных и схемотехнических решений. В отношении структурных решений роль характеристик используемых элементов становится очевидной, например, при рассмотрении наиболее мощных вычислительных систем второго поколения, таких как СТРЕТЧ (США, 1961 г.), �Атлас� (Великобритания, 1962 г.), БЭСМ-6 (СССР, 1966 г.) и др. Построение подобных систем, содержащих около 105 активных элементов, на основе электровакуумной техники было бы весьма затруднительным, прежде всего из-за невысокой надежности электронных ламп. Таким образом, ведущая роль физико-технологического фактора в развитии электронных ЦВМ продолжала сохраняться.В комплексе элементов на твердом теле, использованных в ЦВМ второго поколения, важнейшую роль, с точки зрения совершенствования характеристик ЦВМ, сыграло применение транзистора. Если использование полупроводниковых диодов позволило значительно сократить количество электронных ламп в ЦВМ, а замена электронно-лучевых трубок ферритовыми сердечниками обеспечила ведущую роль дискретных элементов на твердом теле в качестве носителей информации, то применение транзисторов позволило полностью отказаться от использования электронных ламп во всех устройствах машин. Из-за широкого применения транзисторов понятие �транзисторная ЦВМ� стало синонимом понятия �ЦВМ второго поколения�, несмотря на то, что в машинах второго поколения были использованы и другие типы активных элементов электронных схем (магнитные элементы, параметроны, туннельные диоды). Улучшение характеристик транзисторов в процессе совершенствования их технологии стало мощным фактором развития ЦВМ второго поколения.Первые транзисторы, нашедшие практическое применение, были разработаны в США в конце 40-х годов. В 1947 г. американские ученые У. Браттейн и Дж. Бардин, проводившие исследования под руководством физика У. Шокли, открыли транзисторный эффект в процессе экспериментов над германиевыми кристаллическими детекторами (см. рисунок). При установке зондирующей иглы вблизи основного контакта детектора и подаче на зонд отрицательного напряжения ток в цепи зонда возрастал на несколько порядков величины, следуя за изменениями входного тока. В 1948 г. было опубликовано сообщение о сделанном открытии и разработаны первые точечно-контактные германиевые транзисторы.Не задаваясь целями подробного освещения предшествовавших исследований в области полупроводников, позволивших в конечном итоге создать активные полупроводниковые элементы, отметим, что эти исследования проводились учеными многих стран. Изучение детекторных свойств точечного контакта металлической пружины с полупроводниковыми кристаллами было начато в 900-х годах в России и за рубежом. В 1922 г. советский радиофизик О. В. Лосев, работая с малыми напряжениями — порядка 4 в, впервые показал возможность применения полупроводниковых детекторов для генерирования и усиления электромагнитных колебаний за счет использования падающих участков их вольт-амперных характеристик. Дальнейшие исследования в данном направлении привели в конечном итоге к созданию в 1958 г. туннельного диода, нашедшего в 60-х годах применение в электронных ЦВМ.В 30-х годах теоретические и экспериментальные исследования в области полупроводников были развернуты в Ленинградском физико-техническом институте под руководством А. Ф. Иоффе. В 1938 г. Б. И. Давыдов и другие советские ученые разработали диффузионную теорию выпрямления переменОсновная схема развития универсальных ЦВМ первого поколения
Как было показано, применение электронных ламп позволило резко повысить вычислительные возможности машин, что и обусловило очень быстрый переход от автоматических релейных ЦВМ к электронным. В то же время использование электронных ламп было связано с рядом существенных трудностей.�Интересно отметить,— пишет Р. Ричарде,— что в истории развития элементов вычислительных машин наблюдался период в несколько лет, когда техническая пригодность электронных ламп ставилась под сомнение. Во многих цифровых схемах лампы могут находиться в состоянии отсечки в течение длительного периода времени. Было обнаружено, что катоды ламп в таких условиях имеют тенденцию очень быстро терять свои эмиссионные свойства. Изучение показало, что при этом между никелевой подложкой и оксидным покрытием катода образуется прослойка с большим сопротивлением. По неизвестной причине непрерывный или частый отбор тока с катода препятствует образованию этой прослойки, поскольку большинство схем, разработанных для техники связи, не находится в течение заметного промежутка времени в состоянии отсечки, с этим явлением раньше не встречались. Проблема широко исследовалась около 1950 г. В то время по этому вопросу появилось несколько технических статей. Объяснить это явление не удалось, однако было определено, что его можно избежать, тщательно устраняя примеси в конструктивных деталях ламп. Влияние оказывают различные виды примесей, однако особенно важно, чтобы никель подложек не содержал кремния�.Необходимость изготовления катодов со строго ограниченным содержанием примесей привела к тому, что стали выпускать лампы, специально предназначенные для применения в электронных ЦВМ. Таким образом, уже в самом начале развития электронной вычислительной техники появилась необходимость в специальной технологии, ориентированной на электронные ЦВМ.Основные трудности, связанные с применением электронных ламп, были обусловлены их характеристиками, такими как потребляемая мощность, надежность, габариты и стоимость. Электронные лампы являются наименее надежным элементом почти любой электронной аппаратуры. Средний срок их службы в 50-х годах составлял 103—104 час по сравнению со сроком службы порядка 105 час, характерным для таких пассивных элементов, как сопротивления и конденсаторы.Применение электронных ламп требует значительных расходов, связанных с установкой и эксплуатацией ЦВМ. Помимо затрат на постоянную смену выходящих из строя ламп, требовались затраты, обусловленные высоким уровнем мощности, потребляемой электронными лампами: на систему охлаждения воздуха, устройства электропитания, подводку силовых шин к зданию, где работает машина, и, наконец, затраты, связанные с расходом электроэнергии.Габариты электронных ламп во многом определяли габариты внутренних устройств ЦВМ. Даже при небольшом количестве используемых ламп (порядка 103) внутренние устройства ЦВМ требовали для своего размещения нескольких квадратных метров площади, что, в частности, служило серьезным препятствием для применения ЦВМ в случаях, когда вес и размеры аппаратуры строго ограничены (например, в авиации).Все эти обстоятельства имели следствием стремление к минимизации количества электронных ламп, являющееся одной из важнейших особенностей рассматриваемого периода.В начале развития электронных ЦВМ была сделана попытка построить на электронных лампах все внутренние устройства машины. Примерами являются первая электронная ЦВМ ЭНИАК, а также первая советская электронная ЦВМ МЭСМ с памятью, выполненной на ламповых триггерных ячейках. Реализация принципа хранимой программы требовала применения достаточно емкой памяти. Поэтому прежде всего пришлось отказаться от идеи использовать электронные лампы для построения запоминающего устройства. Даже небольшое запоминающее устройство, например емкостью 512 чисел по 30 двоичных разрядов, потребовало бы применения нескольких десятков тысяч ламповых диодов и триодов.Важным шагом на пути минимизации количества электронных ламп явилась замена ламповых диодов полупроводниковыми, преимущественно германиевыми диодами. В отличие от первой электронной ЦВМ с хранимой программой (ЭДСАК, Великобритания, 1949 г.), в первой ЦВМ с хранимой программой, введенной в эксплуатацию в США (СЕАК, 1950 г.), вместо диодов на лампах было применено 10 500 германиевых диодов. В результате общее количество электронных ламп в машине было сокращено до 7509.Параллельно шло развитие элементов для внутренних запоминающих устройств.Палочки Непера
В Западной Европе был широко распространен счет на линиях (�счет костьми� в России соответствует счету на линиях). В письменном счете был в употреблении способ умножения решеткой (или способ жалюзи), который излагался в многочисленных учебниках, например в книге польского математика Я. Брожека �Арифметика целых чисел� (1620 г.). Этот способ, по-видимому, возник в Индии, но имел широкое распространение и в других странах Востока.Умножение решеткой легко уяснить на примере. Пусть необходимо умножить 456 на 97. Рисуется прямоугольник, разбитый на необходимое число клеток. В клетках записывают соответствующие произведения, отделяя диагональю десятки от единиц: 4-9 = 36, 5-9 = 45 и т. д. Эти произведения суммируют по наклонным полоскам справа налево. Окончательный
результат 475-97 = 44 232 15.Шотландский математик Д. Непер создал прибор, в основу которого был положен способ умножения, назвав его счетными палочками. Этот прибор он описал в работе �Две книги о счете с помощью палочек� (Rabdologiae seu numerationis per virguias libri duo), изданной в 1617 г. в г. Эдинбурге в Шотландии (Rabdos — по-гречески означает �прут�, �палочка�). Позже прибор получил название палочек Непера.Палочки представляют собой таблицу умножения от 1X1 до 9X9, расположенную на девяти линейках. Имелась еще одна линейка, на которой были нанесены числа от 1 до 9. Эта линейка располагалась при любом вычислении слева, по ней легко находилась необходимая строка. Например, пусть нужно умножить 4681 на 7. Выбираем четыре линейки с номерами 1, 4, 6, 8 ирасполагаем их рядом в необходимом порядке: 4681. Слева помещаем линейку — указатель строки, по ней читаем седьмую строку:
Складываем по наклонным полоскам справа налево, получаем окончательный результат 32 774.При умножении на многозначное число такую же процедуру нужно повторить для каждого разряда множителя. Для удобства умножения, в особенности в том случае, когда сомножители содержат одинаковые цифры, нужно иметь по нескольку экземпляров палочек для каждого числа. Палочки Непера можно использовать и при делении. Конечно, они далеки от полной механизации умножения (и деления), но применение их сокращает время выполнения этих операций, если приходится иметь дело с большими числами. Работа с палочками неутомительна, и поэтому уменьшается вероятность ошибок при вычислениях. Но палочки Непера имеют и существенные недостатки: накопленные единицы механически не переносятся в высший разряд, вычислителю нужно все время производить в уме сложение однозначных чисел; прибор не представляет единого целого, а состоит из отдельных, не связанных между собой, частей, которые нужно раскладывать в особом порядке перед каждой операцией и т. д. Несмотря на свои недостатки, палочки Непера получили широкое распространение. �Хотя палочки Непера представляли собой весьма неудовлетворительное пособие при более сложных вычислениях, ими все же, по-видимому, нередко пользовались�. Известно также много попыток усовершенствовать этот прибор. В Парижском музее искусств и ремесел хранятся палочки Непера, изготовленные в 1673 г., а также и в более поздние годы: 1720, 1788, 1814, 1815, 1835, 1888, 1890. Краткие сведения о палочках Непера излагаются в большом числе работ, например и др.Содержание �Рабдологии� Непера не ограничивается изложением способа умножения на палочках, оно значительно шире и включает описание операции извлечения квадратного и кубического корней, а также некоторых тригонометрических и астрономических вычислений. В своей книге Непер впервые ввел новое написание десятичных дробей с точкой или запятой для отделения целой части от десятичных долей. Книга содержит и некоторый другой материал.Книга Непера уже в XVII в. переводилась на многие языки, в том числе и на китайский. Наряду с книгой стали известны во многих странах и палочки Непера. Они неоднократно усовершенствовались разными исследователями.
В 1668 г. Каспар Шот в книге �Organum mathematicum� предложил заменить палочки Непера цилиндрами, на поверхности которых нанесены ленты с написанными на них числами, как и на палочках Непера. Цилиндры помещались в ящике параллельно друг другу и могли вращаться. Повернув каждый цилиндр так, чтобы их верхние цифры составляли первый сомножитель, мы можем прочитать искомое произведение.В 1673 г. Пти изготовил арифметический барабан (барабан Пти). В XVIII в. усовершенствования делали Леопольд в 1727 г., М. Форпус в 1728 г. (пифагорова монзула), Праль в 1789 г. (переносная арифметика), Брюсон в 1790 г. и др.Даже в XIX в., когда, казалось бы, имелПервые проекты электронных ЦВМ
Проект Атанасова.
Одна из первых попыток использовать электронные элементы в ЦВМ была предпринята в США в 1939—1941 гг. в колледже штата Айова (в настоящее время университет штата Айова). Эта работа была прервана войной, и результаты ее нигде не публиковались, если не считать двух репортерских заметок в газете �Де Мойн Трибюн�. Из-за отсутствия публикаций эта работа осталась неизвестной для большинства специалистов в области вычислительной техники. В то же время она сыграла определенную роль в истории развития ЦВМ. Конструктор первой электронной ЦВМ ЭНИАК Дж. Маучли в 1941 г. посетил колледж Айовы с целью ознакомления с результатами работ по реализации проекта Атанасова.Р. Ричарде, учившийся в то время в колледже Айовы, дает краткое описание машины в книге. По конструкции машина являлась специализированной расчетной ЦВМ, предназначенной для решения систем алгебраических уравнений с 30 неизвестными. Исходные данные вводились на стандартных перфокартах фирмы �ИБМ� в десятичной форме. Затем осуществлялось преобразование из десятичного кода в двоичный (каждое число состояло из 50 двоичных разрядов, и все вычисления выполнялись в двоичном коде). Для запоминания информации использовались конденсаторы (значение двоичной единицы определялось знаком заряда конденсатора). Запоминающее устройство представляло собой барабан, на котором было размещено 1632 конденсатора (по 51 элементу на каждой из 32 дорожек) и смонтирована матрица медных контактов для соединения запоминающего устройства со схемной частью машины. Промежуточные результаты записывались на перфокарты, для чего разрабатывалось специальное устройство для перфорации и считывания карт. К моменту вступления США в войну (7 декабря 1941 г.) были закончены все основные блоки машины, за исключением специализированного устройства на перфокартах. В 1942 г. работы были прекращены, а несколько лет спустя машина была разобрана. Единственный блок, сохранившийся до настоящего времени (запоминающее устройство на конденсаторах), хранится в университете штата Айова.Небезынтересно отметить, что в 1973 г. приоритет Атанасова, как автора первого проекта электронной ЦВМ, был подтвержден в США решением федерального окружного суда. Суд объявил недействительным патент Маучли и Эккерта на автоматическую электронную ЦВМ, мотивируя это тем, что данная концепция заимствована из проекта Атанасова.Машина ЭНИАКПроект электронной ЦВМ ЭНИАК был предложен в 1942 г. Дж. Маучли. Проблема механизации вычислений заинтересовала Маучли в начале 30-х годов. В 1932 г. он получил докторскую степень за исследования по физике и в течение ряда лет преподавал физику в нескольких колледжах. В 30-х годах Маучли разработал аналоговое вычислительное устройство (анализатор гармоник) и небольшую специализированную ЦВМ. К началу 40-х годов он пришел к выводу о необходимости использования в вычислительных устройствах электронных ламп. В 1941 г. он поступил на работу в Электротехническую школу Мура при Пенсильванском университете, а в августе 1942 г. представил проект ЭНИАК. Около года проект лежал без движения, пока им не заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория Армии США. Лаборатории было поручено составить баллистические таблицы для различных видов оружия. Быстродействие машины, предложенной Маучли, наилучшим образом отвечало задачам лаборатории. В 1943 г. было принято решение о развертывании значительных по масштабу работ по реализации проекта. Для работ (по контракту на сумму 400 тыс. долл., заключенному армией США с Пенсильванским университетом) было привлечено около двухсот человек. Работой руководили Маучли и д-р Дж. Эккерт. Наряду с Маучли и Эккертом значительный вклад в реализацию проекта внесли Г. Голдстайн, Дж. Брайнерд, а также около 30 инженеров и математиков, участвовавших в работе. В конце 1945 г. работы были завершены. В феврале 1946 г. состоялась первая публичная демонстрация машины, а в 1947 г. она была переведена в Абердин, где размещалась Баллистическая исследовательская лаборатория. В Абердине ЭНИАК использовалась в качестве универсальной ЦВМ расчетного тина. Примером наиболее сложной задачи, которую решала машина, является решение системы из пяти гиперболических дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих поток вокруг тела вращения. Для каждого конкретного случая (т. е. для заданного числа Маха и заданных значений ряда параметров, определяющих вид тела вращения) решение этой задачи требовало около 1 часа машинного времени. Впоследствии машиПервые табуляторы. Табулятор Голлерита
В конце XIX в. в связи с развитием науки и техники потребность в счетных машинах возросла настолько, что ее не стали полностью удовлетворять ни арифмометры Однера (со всеми его разновидностями), ни другие типы машин.Счетная техника не развивается изолированно, на ее движение вперед всегда влияло состояние техники и технологии изготовления точных механизмов вообще, состояние смежных наук, таких как механика, физика и др., и, конечно, потребности в таких машинах. Математическая теория машин до XX в. играла второстепенную роль; так, почти все машины, с точки зрения математической теории, отражали позиционный десятиричный принцип и правила действий с целыми числами и дробями. Некоторые случаи (например, в машине Слонимского) требовали и более сложной теории, но не они определяли развитие счетной техники в механический период.С развитием теории электричества, а также и техники, в особенности слабых токов, возникла естественная идея применить эти токи к счетной технике. Вначале электроэнергию в счетных машинах применяли только как движущую силу, которая вместо руки счетчика приводила в движение механизм, сам же счетчик оставался прежним, т. е. это были привычные зубчатые колеса с обычной передачей десятков. Такие машины получили название электромеханических машин, хотя их можно было бы назвать и электрическими машинами. Существенным практическим толчком к введению электромеханических машин была потребность в обработке переписей населения, которые с конца XIX в. стали проводиться более или менее регулярно.Существенную роль в этом отношении сыграла счетная машина Голлерита. Сотрудник Бюро цензов в США Голлерит в 1888 г. разработал конструкцию машины, которая была впервые применена при обработке материалов переписи населения США в 1890 г. Голлерит назвал свою машину табулятором.При переписях населения в США данные о каждом лице вписывались в отдельную строчку переписного листа. Затем эти данные переносились на отдельную карточку с заранее напечатанными вариантами ответов, нужный вариант отмечался �птичкой�. Ответы о возрасте, например, имели 10 вариантов: до
5 лет, 6-10, 11—20, 21-30 и т. д. до более 80 лет.В дальнейшем обработка материалов переписи состояла в том, что карточки с ответами раскладывались вручную на группы в соответствии с целью группировки, затем подсчитывалось количество карточек в каждой группе и результаты подсчета заносились в соответствующее место заполняемой таблицы.С учетом этой ручной техники Голлеритом была создана система для механизированной обработки материалов переписи. Как и при ручной обработке, на каждое лицо, проходящее перепись, заводилась счетная карточка. Она была разделена на колонки, отвечающие определенным вопросам. В каждой такой колонке пробивалась дырочка на месте, которое соответствовало ответу на интересующий вопрос. Было предусмотрено десять позиций для пробивания дырочек, т. е. дырочки пробивались вместо отметок �птичкой�. Используя две колонки для одного вопроса, можно было при помощи дырочек фиксировать 100 ответов. Это было удобно, например, для фиксации возраста. Пробивка отверстий производилась на специальном устройстве, построенном на принципе пантографа. Скорость пробивки отверстий на этом перфораторе — пантографе была невелика. За час можно было подготовить примерно 80 карточек, столько же можно было выписать карточек и для ручной обработки. Пробитые карточки (перфокарты) позволяли провести механизированный подсчет данных переписи. Для такого подсчета Голлеритом была сконструирована машина, состоящая из следующих главных частей: 1) воспринимающий пресс; 2) реле; 3) счетчики; 4) сортировальный ящик; 5) источник энергии — электрические батареи.Работа на машине Голлерита происходила следующим образом. Перфокарты укладывались на неподвижную нижнюю часть пресса над чашечками с ртутью. Количество чашечек соответствовало количеству возможных отверстий в карточке. К ртутным чашечкам подводился электроток. При помощи рукоятки верхняя подвижная часть пресса опускалась до соприкосновения с перфокартой. В верхней части пресса находились металлические стержни, снабженные пружинами, благодаря чему стержни отходили вверх, когда они встречали препятствие. Если препятствия не было и стержень проходил через отверстие, пробитое в карточке, цепь замыкалась через чашечку с ртутью и на счетчике, соответствующем данному признаку, происходит отсчет единицы.Периодизация научно-технической революции
Изучение характера и особенностей современной научно-технической революции является темой многочисленных исследований, ведущихся в СССР и за рубежом. Характеристика наиболее важных исследований дана в работе. Одной из основных проблем исследований в области современной научно-технической революции является выявление основной черты (сущности) данного процесса и, в частности, его основного отличия от технической революции XVIII в. Впервые данная проблема была детально исследована Н. Винером в 1950 г. в работе �Кибернетика и общество�. В главе �Первая и вторая промышленные революции� Винер дал удивительно точный по содержанию, хотя и несколько оптимистический по срокам, прогноз изменений в промышленном производстве, характерных для эпохи �второй промышленной революции�. Содержание прогноза Винера заключается в следующем:1. Управление производством осуществляется с помощью быстродействующих вычислительных машин, которые используются как для непосредственного управления исполнительными механизмами, так и для обработки деловой информации.2. В отличие от первой промышленной революции, �которая имела дело с машиной исключительно в качестве альтернативы человеческим мускулам�, вторая промышленная революция проникает в очень широкий круг областей, связанных с механизацией процессов умственного труда.Таким образом в то время, когда универсальные ЦВМ еще не выпускались серийно и использовались исключительно в научных исследованиях, Винер предсказывал, что �данные машины или подобные им устройства� явятся основой переворота в промышленном производстве, причем �новым машинам потребуется от 10 до 20 лет, чтобы занять подобающее им место�.Заметим, что прогноз Винера касался не научно-технической, а промышленной революции. Впервые четкое разделение этих понятий было дано в работе �Современная научно-техническая революция�, написанной коллективом сотрудников Института истории естествознания и техники Академии наук СССР (под редакцией С. В. Шухардина) и опубликованной (первое издание) в 1967 г. Здесь же было дано одно из первых в отечественной литературе четких определений сущности современной научно-технической революции: �Важнейшей отличительной чертой современного прогресса является применение электронных вычислительных машин (ЭВМ). В условиях непосредственного производства ЭВМ позволяют заменить часть умственного труда человека и в особенности его логические функции. Возможность замены функций человеческого мозга машиной является важной предпосылкой для создания полностью автоматизированного производства и составляет сущность происходящей сейчас научно-технической революции�.В докладе автора настоящей работы на конференции ИИЕТ АН СССР в январе 1968 г. была предпринята попытка построения периодизации развития современной научно-технической революции, причем были выявлены определенные параллели в процессах развития технической революции, приведшей к промышленному перевороту XVIII—XIX вв., и современной научно-технической революции.Ниже приводятся основные результаты работы в данной области.В различных исследованиях, посвященных тем или иным аспектам развития современного общества, научно-техническую революцию связывают с комплексом качественных изменений в развитии ряда отраслей науки и техники. К этим отраслям обычно относят атомную энергетику, космонавтику, кибернетику, ракетную технику, автоматику, радиоэлектронику, химию и ряд других областей, в которых в последние годы наблюдается резкое убыстрение темпов научного и технического прогресса. В этой связи представляется целесообразным рассмотрение вопроса о причинах столь быстрого и практически одновременного прогресса в различных областях науки и техники.Рассмотрение совокупности областей, в которых происходят революционные изменения, приводит к выводу, что их современное состояние и в особенности дальнейшее развитие в значительной (зачастую решающей) степени обусловлены механизацией процессов умственного труда на базе электронной вычислительной техники. При этом представляется целесообразным выделить следующие три линии развития механизации умственного труда:1) выполнение научно-технических расчетов;2) обработка больших массивов информации;3) механизация процессов управления.Применение электронной вычислительной техники в каждой из этих областей механизации умственного труда во многом определило современный уровень развития науки и техники.Использование ЭВМ позволило достичь быстрого прогресса прежде всего в тех отраслях, развитие которых во многом зависит от объема требуемых расчетов и вычислений. �Трудность, а подчас и практическая невозможность выполнения большого количества вычислений, — отмечал видный советский специалист в области вычислительной техники А. А. Папернов,— еще недавно приводила к тому, что явления, подлежащие математическому исследованию, идеализировались с целью упрощения описывающих их дифференциальных уравнений. При этом, естественно, не учитывалось влияние большого количества факторов, в результате чего научный уровень исследования снижался. При технических расчетах сопоставлялось малое количество вариантов решения и в результате принимался просто приемлемый, но не оптимальный вариант решения. Применение высокопроизводительных вычислительных машин позволяет резко повысить уровень научных исследований и технического проектирования. Развитие таких отраслей современной науки и техники, как атомная энергетика и реактивная техника, было бы невозможно без современных цифровых машин�.Использование ЦВМ для обработки больших объемов информации во многом определило возможность проведения современных космических исследований. Огромный объем телеметрической информации, поступающей со спутников и космических кораблей, практически невозможно обработать в приемлемые сроки без использования вычислительных машин. Обработка больших массивов информации с помощью ЦВМ является необходимым условием создания современных автоматизированных систем управления народным хозяйством на различных уровнях (в масштабе отдельных предприятий, отдельных отраслей и общегосударственного планирования). Современный уровень развития автоматики в значительной степени обусловлен применением ЭВМ в системах автоматического управления. Прежде всего здесь следует отметить использование систем автоматического управления на промышленных предприятиях (управление непрерывными технологическими процессами в реальном масштабе времени), в космической технике (бортовые системы управления космических кораблей) и военной технике (бортовые системы управления баллистическими ракетами, самолетами, атомными подводными лодками и т. д.).Таким образом, механизация процессов умственного труда в настоящее время является своеобразным катализатором развития различных областей науки и техники, определяющих лицо современной научно-технической революции. Основным средством механизации умственного труда в настоящее время служит вычислительная техника, развивающаяся на базе электронной технологии. Соответственно роль ЦВМ в механизации процессов умственного труда определяется их значением в совокупности средств электронной вычислительной техники (табл. 20).В совокупности электронных ЦВМ доминирующую роль играют универсальные ЦВМ, используемые в настоящее время для выполнения научно-технических расчетов, обработки больших объемов информации и управления в реальном масштабе времени. В этой связи представляется целесообразным использовать данные о развитии универсальных электронных ЦВМ, полученные в гл. 4—7, в качестве исходного материала для построения периодизации развития современной научно-технической революции и ее перерастания в производственную революцию. Предлагаемая периодизация имеет следующий вид:1. Период бурного развития ряда областей науки и техники, связанного с применением универсальных ЦВМ в научных исследованиях.Хронологические рамки данного периода совпадают с периодами зарождения электронной вычислительной техники и периодом ЦВМ первого поколения, т. е. охватывают вторую половину 40-х и 50-е годы. Исходным моментом данного периода представляется целесообразным считать создание первых электронных ЦВМ.2. Период интенсивного внедрения процессов механизации умственного труда в различные сферы жизни общества (планирование народного хозяйства, промышленность, транспорт, торговля, образование, здравоохранение и т. д.).Основными чертами данного периода являются:а) дальнейшее расширение применения вычислительных машин в сфере научно-технических расчетов, широкое использование ЦВМ для обработки больших массивов информации, начало и заметное развитие применения ЦВМ в системах автоматического управления, работающих в реальном масштабе времени;б) создание в промышленно развитых странах вычислительных сетей, охватывающих вычислительные центры, расположенные на территории всей страны.Применение интегральной технологии
В настоящее время период ЦВМ на интегральных схемах продолжается. Поэтому приводимая ниже характеристика этого периода не может быть исчерпывающей и охватить все аспекты его развития. Тем не менее рассмотрение основных направлений развития универсальных электронных ЦВМ во второй половине 60-х и начале 70-х годов позволяет наметить некоторые перспективы на ближайшие годы.Технологической основой современных универсальных ЦВМ является технология изготовления интегральных схем (интегральная технология). Возникновение интегральной технологии — логическое следствие тенденции к созданию миниатюрных компонентов, схем и приборов. Огромное влияние на развитие миниатюризации электронной аппаратуры оказали потребности военной авиации и, особенно, космической техники. В большинстве случаев первые микроминиатюрные электронные устройства, в том числе первые микроминиатюрные электронные ЦВМ, разрабатывались с целью применения в авиации и космической технике, т. е. в тех условиях, когда габариты, вес и потребляемая мощность аппаратуры строго ограниченны. Однако было бы неверным объяснять тенденцию к миниатюризации электронных ЦВМ только потребностями аэрокосмической техники. В основе этой тенденции лежат более глубокие причины, а именно, конечная зависимость вычислительных возможностей машин от физико-технологических особенностей их элементов. Роль физико-технологического фактора рассматривалась во Введении. Здесь представляется целесообразным рассмотреть этот вопрос применительно к влиянию интегральной технологии на вычислительные возможности ЦВМ.1. Одной из важнейших причин применения интегральной технологии является то, что она обеспечивает более высокий уровень надежности по сравнению с технологией дискретных полупроводниковых элементов. Уровень надежности в конечном счете определяет количество элементов в современных электронных ЦВМ, а количество элементов, в свою очередь, их вычислительные возможности. �Именно надежность является тем фактором, который обеспечивает, с одной стороны, создание все более сложных ЦВМ, обладающих большим быстродействием и объемом памяти, а с другой стороны, возможность применения ЦВМ в сложных и ответственных управляющих системах, работающих в масштабе реального времени, в том числе и в аэрокосмических системах�.Принципиально более высокая надежность устройств на интегральных схемах по сравнению с устройствами на дискретных компонентах обусловлена уменьшением количества паяных, сварных и разъемных межсхемных соединений. Стремление к повышению надежности за счет уменьшения числа соединений явилось одной из причин перехода к интегральной технологии и перехода от преимущественного применения гибридных интегральных схем к монолитным полупроводниковым интегральным схемам.Интенсивность отказов современных серийных полупроводниковых интегральных схем близка к интенсивности отказов дискретных транзисторов (0,1% за 1000 час работы) и приблизительно на порядок величины ниже интенсивности отказов эквивалентных схем на дискретных компонентах. Из этого следует, что при одинаковом уровне надежности электронное устройство на интегральных схемах может выполнять более сложные функции по сравнению с устройством на дискретных транзисторах.2. Другим важным следствием применения интегральной технологии является повышение быстродействия ЦВМ за счет увеличения плотности упаковки электронных схем и соответственно уменьшения времени задержки при передаче сигналов по проводникам.3. В целом повышение возможностей ЦВМ как средств обработки информации тесно связано с расширением области их применения. Здесь важную роль играют такие показатели, как себестоимость ЦВМ при серийном изготовлении, стоимость эксплуатации и физические размеры системы. Роль интегральной технологии заключается здесь в резком уменьшении себестоимости технологического процесса и в существенном уменьшении весов, габаритов и потребляемой мощности. Как видно из рисунка, применение интегральной технологии позволяет приблизительно на три порядка величины повысить плотность монтажа электронных схем (в пересчете на эквивалентное количество дискретных элементов) по сравнению с плотностью монтажа, типичной для транзисторных схем.Как отмечалось выше, переход к интегральной технологии явился логическим следствием предшествовавших работ в области миниатюризации ЦВМ. Проблемы расширения масштабов применения электронных ЦВМ
При рассмотрении эволюции электронных ЦВМ существенный интерес представляет вопрос о возможностях (и трудностях) дальнейшего расширения сферы применения вычислительной техники. Рассмотрим расширение масштабов внедрения электронных ЦВМ с точки зрения факторов, влияющих на данный процесс. Комплекс факторов, от которых зависит развитие применения электронных ЦВМ, включает:а) уровень потребностей общества в механизации умственного труда;б) отличительные особенности электронных ЦВМ в системе всех известных средств механизации процессов умственного труда;в) уровень развития электронных ЦВМ (с точки зрения их применимости в той или иной области).Рассмотрим данные факторы с целью получения ответа на следующие вопросы:1. Какие компоненты современного уровня развития ЦВМ наиболее �критичны� (объективно требуют существенного развития) с точки зрения перспектив применения ЦВМ?2. В каких областях (или при каких условиях) применение ЦВМ является наиболее эффективным?Необходимо отметить, что рассмотрение вопроса о практических потребностях общества в некотором техническом устройстве правомерно лишь при условии появления технических предпосылок для создания данного устройства. Таким образом, вопрос о практических потребностях общества в применении ЦВМ в той или иной области связан с предварительным рассмотрением вопроса об особенностях ЦВМ (в системе всех средств вычислительной техники) и анализом уровня их развития.Вопрос об особенностях ЦВМ с программным управлением рассмотрен, например, в работе. Как отмечается в данной работе, �универсальность ЦВМ, отличающая их от всех иных существующих средств автоматики, обусловливается следующими факторами:1) принципиальной возможностью представления информации любого вида в цифровой форме (т. е. путем записи словом конечной длины в некотором конечном алфавите);2) принципиальной возможностью автоматического преобразования информации любого вида из цифровой (дискретной) формы в непрерывную и обратно;3) принципиальной возможностью представления процесса преобразования информации из одной числовой формы в другую в виде конечной последовательности ограниченного числа элементарных, правил преобразования информации (операций), образующих некоторый (в общем случае произвольный) алгоритм обработки информации;4) алгоритмической универсальностью ЦВМ как преобразователей информации (любой алгоритм обработки информации принципиально может быть представлен в виде совокупности элементарных операций, специфических для применяемого типа ЦВМ)�.Наличие факторов 1—4 позволяет утверждать, что любая область деятельности человека, связанная с переработкой информации, может в принципе стать объектом применения ЦВМ. При этом важное преимущество универсальных электронных ЦВМ над любыми другими известными человечеству средствами механизации умственного труда: арифмометрами, табуляторами, аналоговыми вычислительными машинами, аналоговыми и дискретными приборами струйной техники — заключается в существенно лучших возможностях выполнения программ, содержащих большое количество команд. Возможность автоматического выполнения сравнительно длинных программ обеспечивается наличием достаточно емкой внутренней памяти. Именно это обстоятельство является одной из важнейших причин несравненно более широкого распространения универсальных ЦВМ по сравнению со всеми другими типами вычислительных устройств.Что же определяет масштабы внедрения ЦВМ? Очевидно, прежде всего уровень развития ЦВМ. На основе изложенного в гл. 5—7 определим следующие компоненты современного уровня развития электронных ЦВМ:1. Технические и технико-экономические характеристики процессоров: а) быстродействие; б) емкость памяти; в) надежность; г) вес и габариты; д) потребляемая мощность; е) себестоимость.2. Характеристики взаимодействия процессора с техническими устройствами:а) с периферийным оборудованием данной вычислительной системы (важнейшая техническая характеристика — скорость обмена информацией);б) с периферийным оборудованием других вычислительных систем с помощью аппаратуры передачи цифровой информации;в) с исполнительными механизмами (при использовании ЦВМ в рамках системы автоматического управления).3. Уровень взаимодействия процессора с человеком, включая:а) уровень развития входных алгоритмических языков;б) уровень автоматизации программирования;в) уровень архитектуры ЦВМ, в том числе уровень машинных языков;г) способ ввода информации.Простейшие счетные машины XIX в.
Как мы видели, машины Шиккарда, Паскаля, Лейбница, Гана и даже Томаса не могли удовлетворить потребности в счетных машинах. Одни из них были несовершенны, другие имели сложное устройство и поэтому подвергались частым поломкам, третьи громоздки и дороги. Для практики нужна была машина достаточно простая, дешевая и удобная в работе.В XIX в. в связи с развитием экономических отношений и военного дела, расширением финансовых операций, ростом промышленности и транспорта появляется довольно много разнообразных изобретений, относящихся к производству вычислений.Более чем двухвековой опыт работы на счетах в России и недостатки существующих счетных приборов привели к тому, что в России стали приспосабливать счеты к возросшим требованиям вычислительной практики. Известно, что А. Бок предложил в 1812—1813 гг. (в Варшаве) некоторый вид счетов. Никаких сведений об этих счетах мы не имеем.В 1828 г. генерал-майор Ф. М. Свободской предложил свой счетный прибор после многих лет работы на нем. Этот прибор состоял из соединенных в общей раме нескольких счетов, чаще всего употреблялось 12 счетов, но встречались наборы до 30 штук. Для передвижения костяшек служил специальный прут с рукояткой. Кроме четырех арифметических действий, Свободской производил много различных операций, достигая при этом большой скорости. Например, извлечение кубического корня из 21-значного числа занимало 3 мин. Он вычислял также сложные проценты, возводил числа в различные степени и т. п. Основное условие скорости счисления на счетах Свободского — это строгое соблюдение единообразных правил. Все операции сводились к действиям сложения и вычитания.Положительный отзыв на счеты Свободского от Петербургской академии наук дали П. В. Тарханов и В. Я. Буняковский. Преподавание вычислений на счетах по методу Свободского было введено в петербургском (с 1829 г.), московском (с 1830 г.) и харьковском (с 1830 г.) университетах. Вышел ряд книг, посвященных этим счетам, появились статьи в разных журналах. Но, несмотря на все это, к середине XIX в. счеты Свободского были уже почти забыты. Они оказались слишком громоздкими, да и сама идея вернуть счетам их универсальный характер была явно несостоятельна.В 1861 г. И. Бураков предложил счеты, в которых было 20 полных рядов и один с четырьмя костяшками. Кроме арифметических действий на этих счетах возводили в степень и извлекали корни. На счеты Буракова были похожи счеты, предложенные Марковым.A. Больманом в 60-х годах были изготовлены свои счеты с 9 косточками в полных рядах. На этих счетах можно было возводить в степень, извлекать корни, вычислять сложные проценты и выполнять четыре арифметических действия.В 1872 г. Ф. В. Езерский сконструировал счеты с машинкой для умножения и деления. Вдоль нижней планки этих счетов помещены два валика, на которых навернуты таблицы. Вращая валики, можно было получать частные произведения, которые затем складывались на счетах.В 1882 г. Н. Компанейский описал свои двойные счеты. Прибор состоит из счетов и валиков, причем оси валиков шли параллельно проволокам счетов и, кроме того, валики могли передвигаться относительно проволок. Это представляет удобство для правильного сдвига при сложении частных произведений.При умножении и делении больших чисел на счетах Езерского и Н. Компанейского скорость несколько больше, чем при производстве этих действий на бумаге.B. Г. Фон-Бооль в своей книге наряду с описанием различных счетов предложил и свои.Усовершенствование счетов продолжалось и в XX в. А. Талалай в 1903 г. издал вспомогательные таблицы, при помощи которых на счетах было удобно умножать.В 1921 г. Б. Н. Компанейский создал прибор, который представляет собой соединение довольно удобных таблиц умножения с обыкновенными счетами. На этом приборе кроме четырех арифметических действий можно решать задачи на проценты, оперировать с дробями и т. п. Относительно этого прибора техническое бюро Комитета по делам изобретений НТО ВСНХ вынесло 25 января 1921 г. следующее постановление: �Признавая пользу предложенного арифмометра всюду, где требуются точные расчеты, несомненно рекомендовать изобретение Б. Н. Компанейского… в качестве прибора, могущего с успехом заменить механические арифмометры существующих систем�.Попыток усовершенствовать счеты было много, но создать универсальный счетный прибор на основе счетов не удалось. Отметим, что сама идея в XIX в. была уже несостоятельна. Все усовершенствованные счеты оказались в скором времени забыты, остались простые однорамные счеты, которые являются незаменимымвспомогательным счетным прибором во многих областях деятельности человека.Кроме счетов в XIX в. было предложено много других простейших приборов различной конструкции. Ряд изобретателей шли по линии составления подвижных таблиц.Во второй половине XIX в. Перский предложил прибор для умножения (его можно приспособить и для деления). В комплект прибора входят съемные счеты, предназначенные для сложения и вычитания, а также для сложения частных произведений при умножении. В основе прибора находится подвижная таблица, которая приводится в движение системой рычагов. На каждый разряд (прибор 9-разрядный) имеется девять рычагов, заканчивающихся кнопками с цифрами 1,2,…, 9. Панель прибора металлическая с окнами считки, которые расположены в девяти столбцах, в каждом столбце 18 окошек. Для умножения необходимо набрать нажатием кнопок один из сомножителей и считать в окошках считки сверху вниз (числа располагаются вертикально) поразрядные произведения, составляя при этом второй сомножитель по номерам столбцов. Необходимо следить и в уме складывать единицы высшего разряда с десятками низшего. Имеется кнопка гашения. При наборе первого сомножителя на определенные расстояния передвигаются подвижные рейки, которые удерживает затем на месте стопорящий рычаг. Кнопка гашения освобождает сразу все рейки от стопорящих рычагов, и они под действием пружин возвращаются в исходное положение. Из-за недостатков, основные из которых — неудобство считки результата, прибор состоит из двух несвязанных между собой частей, задача умножения фактически не решена, необходимо складывать на счетах частные произведения и др.,— прибор распространения не получил.В 1839 г. И. М. Шлифер из местечка Городыща, Гродненской губернии, наладил в Вильнюсе печатание своих механических таблиц, составленных для четырех арифметических действий, а также для возведения в степень и извлечения корней для сложных процентов и решения задач на тройное правило.Ряд изобретений принадлежит Ю. И. Дьякову. В 1874 г. он предложил подвижные бумажные таблицы в виде лент, наматывающихся на валики, для производства умножения и деления. Результат достигался соответствующими поворотами валиков.В 1882 г. Дьяков описал свои новые таблицы умножения. Его прибор представлял собой картонную пластинку в деревянной рамке. Пластинка разделена на семь полос. На каждой полосе девять матерчатых лент, на которых нанесены таблицы умножения (от 1X1 до 9X9). Ленты закреплены в середине прибора, так что могут перекидываться вверх и вниз. Умножение производится открыванием соответствующих лент и считкой частных произведений. При считке нужно следить за складыванием в уме десятков нижнего разряда с единицами высшего. Затем частные произведения складываются на счетах конструкции Дьякова, получивших медаль на парижской выставке 1878 г.Работами Дьякова интересовался Д. И. Менделеев. Он их все хранил в своей библиотеке. Менделеев пользовался и таблицами умножения Дьякова. В музее Д. И. Менделеева при Ленинградском университете на письменном столе ученого и сейчас находится прибор Дьякова. На экземпляре работы [29], хранящейся в библиотеке Менделеева, имеется надпись: �Нашему общему учителю Д. И. Менделееву. В знак глубокого уважения. Дьяков. 1 окт.— 83 г.�.В 1846 г. часовых дел мастер из Варшавы И. Штоффель представил Петербургской академии наук свою арифметическую машину. Академия поручила дать отзыв об этой машине В. Я. Буняковскому и Б. С. Якоби, которые оценили ее очень высоко. На выставке в Варшаве в 1845 г. машина Штоффеля была награждена серебряной медалью. В 1852 г. серебряной медалью второй степени Штоффель был награжден и на выставке в Лондоне.Машина Штоффеля 13-разрядная, на ней можно производить четыре арифметических действия и, кроме того, извлекать квадратные корни. Академия наук даже высказалась за присуждение Штоффелю Демидовской премии.Штоффель предложил также второй аппарат для производства сложения и вычитания над дробями со знаменателями 10, 12 и 15. Этот прибор можно переделать и для действий с дробями с любыми другими знаменателями. Хотя приборы Штоффеля получили очень высокую оценку, они никакого распространения не имели. В 1876 г. счетная машина Штоффеля была передана автором в физический кабинет Академии наук как музейный экспонат.В 1849 г. во Франции Морель и Жайе изобрели арифмометр, который назвали по имени основного изобретателя — арифморель. Он был изготовлен только в одном экземпляре. На арифмореле можно было производить четыре действия с довольно большой скоростью и с малымРабота в режиме автоматического распределения машинного времени между абонентами
Во второй половине 60-х годов сравнительно широкое распространение получили системы, работающие в режиме автоматического распределения машинного времени между абонентами. Как показано в разд. 2 гл. 6, создание данных систем было подготовлено развитием мультипрограммирования. По существу работа в режиме АРМВ является работой в режиме �дистанционного мультипрограммирования�: вычислительная система осуществляет многопрограммную обработку в реальном масштабе времени абонентов, связанных с машиной линиями передачи цифровой информации.Важнейшими преимуществами подобной организации выполнения вычислительных работ являются:1. Непосредственная связь (�диалог�) абонента с вычислительной машиной в процессе решения задачи. Высокое быстродействие центрального вычислителя позволяет вести подобный диалог со всеми подключенными к машине абонентами в реальном масштабе времени каждого абонента.2. Возможность подключения абонента к машине в любой удобный для абонента момент времени и с любого абонентского пульта. Абонентские пульты могут быть установлены, например, на дому у абонента или на его рабочем месте. Таким образом машина находится в распоряжении любого абонента в любое время, что практически равносильно обеспечению каждого абонента мощной индивидуальной ЦВМ.3. Возможность обмена информацией между абонентами, в ходе которой может использоваться весь запас сведений, хранящийся в ЗУ машины. Возможность объединения группы исследователей для совместного решения конкретной задачи.4. Более эффективное использование оборудования с результирующим уменьшением стоимости времени для абонентов.Впервые идея работы в режиме АРМВ между абонентами была предложена в 1959 г. американским ученым К. Стрейчи. Как отмечается в работе, �вычислительный центр при Массачусетском технологическом институте быстро принял предложение Стрейчи�. В 1960 г. специальный комитет Массачусетского технологического института (МТИ), созданный для определения путей использования универсальных ЦВМ, пришел к выводу, что наиболее перспективной является реализация идей АРМВ. Под руководством проф. Ф. Корбато в МТИ была разработана �Совместимая система АРМВ�, первоначальный вариант которой демонстрировался в ноябре 1961 г. Следующим этапом работ МТИ в данной области явился проект МАК, разработанный под руководством Р. Фано и Ф. Корбато. Работы по проекту МАК были начаты весной 1963 г., а в ноябре была введена в эксплуатацию первая очередь системы.Первая очередь системы МАК была выполнена на базе модифицированной машины ИБМ-7094 с двумя модулями оперативного ЗУ емкостью 32 тыс. слов (по 36 двоичных разрядов) каждый. Первый модуль используется для хранения программы-диспетчера, управляющей работой системы, второй — для хранения рабочих программ абонентов. ЗУ на магнитном барабане применяется для оперативного хранения текущего состояния процессора и рабочей части оперативной памяти. Процедура взаимного обмена содержания оперативной памяти и памяти на магнитном барабане, происходящая при переходе к новой программе (процедура �своппинг�), занимает в среднем 10% рабочего времени системы. Емкость ЗУ на магнитном барабане модели �7320 А� (установленном в сентябре 1964 г.) — 208,6 тыс. слов, скорость передачи — 9 мксек/слово. Для хранения информационных массивов, принадлежащих абонентам, используется ЗУ на магнитных дисках емкостью 20 млн. слов (время доступа 185 мсек, скорость передачи — 66,5 мксек/слдво).Система рассчитана на одновременное взаимодействие с тридцатью абонентами. Связное оборудование системы включает устройство управления каналами связи (специализированная машина ИБМ-7750), линии связи и абонентские пульты, в качестве которых используется более ста телетайпов фирмы �ИБМ�. Основная часть этих телетайпов находится в лабораториях и других служебных помещениях Массачусетского технологического института и небольшая часть — в частных домах.Система МАК, оборудование которой систематически модифицировалось и расширялось, сыграла значительную роль в исследованиях, связанных с разработкой систем АРМВ. В 1963—1964 гг. был введен в эксплуатацию еще ряд экспериментальных систем некоммерческого назначения: система ДЖОСС, разработанная компанией �Рэнд� на базе ламповой машины �Джонниак�; система Дартмутского колледжа, разработанная на основе машины модели 235 фирмы �Дженерал Электрик�; система, разработанная фирмой �Системз Девелопмент� на базе машины AN/FSQ-32 (модифицированная машина ИБМ-7090), и др.Развитие вычислительной промышленности
Если 60-е годы были периодом становления вычислительной индустрии в промышленно развитых странах, то 70-е годы являются временем, когда производство ЭВМ стало важнейшим фактором развития приборостроения и радиоэлектронной промышленности. В СССР доля вычислительной техники в объеме производства приборов и средств автоматизации возросла с 1968 по 1972 г. в 2,5 раза (с 16,4 до 40,1%). В 1972 г. объем производства средств вычислительной техники составил 1,2 млрд. руб. В 1973 г. объем производства возрос на 33% и достиг 1,6 млрд. руб., а доля вычислительной техники в производстве приборов и средств автоматизации увеличилась до 48%. В США за 1968—1972 гг. доля производства электронных ЦВМ гражданского назначения и сопутствующей аппаратуры в выпуске радиоэлектронного оборудования возросла с 17 до 34%. В 1973 г. объем производства достиг 12,9 млрд. долл. (табл. 16).Приведенные выше данные характеризуют только одну сторону развития индустрии ЭВМ — выпуск оборудования. Между тем в период машин третьего поколения не меньшее значение приобретают средства математического обеспечения. Затраты на средства программирования быстро растут и в 70-х годах превышают затраты на разработку и производство вычислительного оборудования. Данное обстоятельство объясняется двумя причинами: усложнением структуры вычислительных систем и развитием сферы их применения. Таким образом, более точное представление об индустрии ЭВМ дают суммарные сведения о выпуске оборудования и разработке средств программирования. Однако оценка затрат на подготовку программ представляет определенные трудности из-за того, что средства математического обеспечения разрабатываются, во-первых, изготовителями ЦВМ, во-вторых, пользователями машин и, в-третьих, фирмами-консультантами и вычислительными центрами, которые специализируются на оказании различных услуг потребителям (основной вид услуг — разработка программ, далее — установка и техническое обслуживание машин, обучение программированию и работе на ЭВМ, консультирование по вопросам системотехники и оптимального использования ЭВМ и т. п.). В капиталистических странах в период машин третьего поколения затраты пользователей ЦВМ складываются из трех приблизительно равных по стоимости частей: оплата оборудования (обычно на условиях помесячной арендной платы), расходы на функционирование оборудования (заработная плата обслуживающего персонала, ремонт аппаратуры, аренда помещения, оплата электроэнергии и т. п.), затраты на средства математического обеспечения и разработку систем на базе ЦВМ.Сумма данных затрат пользователей, а также количество занятых разработкой и производством, техническим и математическим обслуживанием ЭВМ дают достаточно полное представление о масштабах применения вычислительной техники. В США в 1972 г. затраты всех групп потребителей (включая правительственные организации) на оплату вычислительного оборудования, математического обеспечения и различного рода услуг составили 20,6 млрд. долл., а количество занятых в данных областях превысило 1 млн. человек. В 1973 г. (по предварительной оценке) затраты достигли 23 млрд. долл., т. е. составили 1,8% валового национального продукта.В предыдущей главе отмечались различные пути развития вычислительной промышленности в социалистических и капиталистических странах. Период машин третьего поколения характеризуется развитием вычислительной промышленности во всех европейских социалистических странах, входящих в состав СЭВ. Значительную роль в развитии вычислительной промышленности в странах СЭВ сыграла разработка Единой системы ЭВМ, в которой приняли участие НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СССР и ЧССР.В странах капиталистического мира период машин третьего поколения характеризуется усилением конкурентной борьбы между корпорациями США и фирмами Западной Европы и Японии. В процессе конкурентной борьбы ряд крупных фирм были вынуждены либо отказаться от производства ЭВМ, либо объединить свои возможности в данной области. Так, в 1968 г. было осуществлено объединение производственных мощностей основных фирм Великобритании, изготовляющих универсальные ЦВМ. В результате была создана компания �Интернейшнл Компьютерз�. В 1970—1971 гг. прекратили производство ЭВМ такие крупные фирмы США, как �Дженерал Электрик� и �РКА�. Определенное влияние на ход конкурентной борьбы между фирмами капиталистических стран оказывает политика Великобритании, Франции, ФРГ и Японии, направленная на развитие национальной вычислительной промышленности. Наличие собственной вычислительной промышленности во все большей степени осознается государственными деятелями этих стран как необходимое условие экономической независимости. Однако успехи, достигнутые ведущими западноевропейскими странами в области национальной вычислительной промышленности, весьма скромны. Ценою значительных субсидий, выделенных национальным фирмам, в целом удалось лишь до известной степени стабилизировать положение, сложившееся в период машин второго поколения и характеризующееся преобладанием американских компаний на западноевропейских рынках вычислительной техники. В отличие от планов стран СЭВ, планы совместных разработок стран ЕЭС в области вычислительной техники до сих пор не принесли заметных результатов. Более эффективной оказалась правительственная политика Японии, направленная на ограничение деятельности иностранных компаний. В результате японские фирмы в настоящее время обеспечивают большую часть потребностей национального рынка ЭВМ. Однако им еще не удалось достичь полной технологической независимости от американских компаний. Фирмы Японии связаны рядом лицензионных соглашений с корпорацией �ИБМ� и другими американскими компаниями.Основные причины преобладающей роли вычислительной промышленности США в капиталистическом мире были рассмотрены в предыдущей главе. Здесь необходимо отметить, что в период машин третьего поколения особо важную роль сыграли исследования и разработки американских фирм в области интегральной технологии. Эти исследования и разработки, первоначально проводившиеся для аэрокосмических и военных целей, в конечном счете обеспечили американским фирмам более высокий уровень электронной технологии. В результате ведущие компании Японии и Западной Европы были вынуждены заключить с американскими фирмами лицензионные соглашения.Как видно из табл. 17 и 18, в начале 70-х годов на долю фирм США приходилось около 89% электронных ЦВМ, установленных в странах капиталистического мира. При этом из 56,8 тыс. ЦВМ, эксплуатировавшихся в конце 1971 г. за пределами США, 42,2 тыс. (73%) было изготовлено американскими фирмами (преимущественно их зарубежными филиалами). Деятельность зарубежных филиалов обеспечивает высокие прибыли (в частности, за счет более низкой заработной платы за пределами США).Так, норма прибыли от зарубежных операций у корпорации �ИБМ� составила в 1971 г. 28,5% по сравнению с 11% внутри страны. Соответствующие данные для �Ханиуэлл� — 14,7 и 6,5%, для �Диджитэл Экуипмент� — 16,6 и 6,9%.Несмотря на отставание вычислительной промышленности ведущих капиталистических стран от вычислительной промышленности США, в период машин третьего поколения имеет место сближение между этими странами по уровню и масштабам применения ЭВМ. В этом отношении показательно сравнение данных, приведенных в табл. 5 и 19. В начале 1965 г. количество электронных ЦВМ, установленных в Великобритании, Франции, ФРГ и Японии, составляло 5,4 тыс., т. е. 23,9% от количества ЦВМ в США.Соответствующие подсчеты по состоянию на конец 1971 г. дают цифру 36,4%). Данные краткосрочных прогнозов свидетельствуют о дальнейшем постепенном сближении масштабов применения вычислительной техники в США и других промышленно развитых капиталистических странах. По некоторым оценкам в 1975 г. парк электронных ЦВМ США составит 130 тыс. машин по сравнению с 74,5 тыс. ЦВМ в Западной Европе и 25 тыс.— в Японии.Развитие средств программирования
Основные особенности развития программирования в период машин второго поколения обусловлены расширением областей применения ЦВМ и усложнением их структуры.Расширение областей применения — одна из важнейших причин разработки большого количества алгоритмических языков. По состоянию на 1967г. во всем мире использовалось около 1000 алгоритмических языков, включая специализированные языки и языки, ориентированные на запись широкого класса алгоритмов, т. е. универсальные применительно к данной достаточно широкой области применения (вычислительные задачи, обработка экономической информации, информационно-логические задачи, управление в реальном масштабе времени). В то же время, начиная с середины 50-х годов, предпринимались попытки создания единого универсального алгоритмического языка.Широкий международный характер приняли работы по созданию и совершенствованию языка АЛГОЛ, ориентированного на применение в научно-технических расчетах. Первый вариант языка АЛГОЛ был разработан группой ученых из ФРГ и Швейцарии и в 1957 г. одобрен Германским техническим обществом. Цель разработки заключалась в создании универсального международного языка, который был бы пригоден для всех выпускаемых моделей универсальных ЦВМ. В переработке первого варианта АЛГОЛА участвовали ученые ряда стран, собравшиеся в январе 1960 г. на Объединенную конференцию в Париже. Представители США, Великобритании, Франции, ФРГ, Швейцарии и Дании одобрили переработанный вариант АЛГОЛА (АЛГОЛ-60) и рекомендовали его для применения в качестве универсального языка. �Не будет преувеличением утверждать,— писал в 1965 г. М. Р. Шура-Бура,— что появление пять лет назад сообщения об АЛГОЛ-60 стало важной вехой в развитии языков программирования… АЛГОЛ-60, как язык для описания алгоритмов численного анализа, сконцентрировал в себе значительную часть наиболее удачных сторон ранее известных языков программирования, предназначенных для тех же целей�.Недостатком АЛГОЛА-60 явилось отсутствие в языке каких-либо канонизированных средств для задания ввода и вывода информации, что существенно затрудняло разработку трансляторов. Поэтому ряд зарубежных фирм, выпускающих универсальные ЦВМ, предпочли ориентироваться на собственные разработки. В 1957 г. группа специалистов фирмы �ИБМ� под руководством Дж. Бакуса закончила разработку языка ФОРТРАН. Целью работ, проводившихся в течение трех лет (1954—1957 гг.), было создание алгоритмического языка, ориентированного на задачи численного анализа и транслятора с этого языка на язык команд машины ИБМ-704. По сравнению с АЛГОЛОМ язык ФОРТРАН более ориентирован на машину и конкретные способы трансляции, что и послужило одной из причин его широкого распространения в США и других странах.Очень широкое распространение получил также язык �КОБОЛ�, разработанный в США в 1958—1960 гг. и ориентированный на описание алгоритмов экономических задач. Поскольку научно-технические и экономико-статистические задачи составляют значительное большинство всех задач, решаемых с помощьюЦВМ, языки КОБОЛ, АЛГОЛ и ФОРТРАН получили весьма широкое распространение в 60-х годах. Трансляторы с этих трех языков, как правило, входят в набор средств математического обеспечения, которыми оснащаются выпускаемые за рубежом универсальные ЦВМ. В СССР сравнительно широкое применение получил язык АЛГОЛ, который �положен в основу различных систем автоматизации программирования, содержащих в своем составе трансляторы для конкретных машин�. Наряду с языками АЛГОЛ, КОБОЛ и ФОРТРАН в СССР и за рубежом в первой половине 60-х годов были разработаны и получили практическое применение другие специализированные и обобщенные алгоритмические языки, среди которых необходимо отметить языки, созданные для описания алгоритмов решения неарифметических задач (ИПЛ, ЛИСП, КОМИТ и др.) и языки для управления в реальном масштабе времени.В 1963 г. в США была начата работа по созданию алгоритмического языка, сочетающего наиболее ценные свойства языков для записи алгоритмов численного анализа (ФОРТРАН и АЛГОЛ), обработки экономической информации (КОБОЛ) и информационно-логических задач (ИПЛ). Результатом исследований, проведенных комитетом из специалистов фирмы �ИБМ� и ассоциации �ШЕАР�, явилась разработка языка ПЛ-1. В настоящее время ПЛ-1 является одним из наиболее мощных средств программирования.Рассмотрение обстоятельств создания алгоритмических языков позволяет наметить некоторую общую схему их развития. В целом развитие языков связано с расширением областей применения ЦВМ. Тенденция к созданию единого универсального языка приводит к разработке одного или нескольких языков, пригодных для описания значительного большинства задач, решаемых в данный момент времени средствами цифровой вычислительной техники. Именно такими соображениями руководствовались создатели АЛГОЛА и ФОРТРАНА, начавшие разработку данных языков в то время, когда научно-технические задачи составляли абсолютное большинство задач, решаемых на ЦВМ.В последующие годы область применения электронных ЦВМ существенно расширилась, прежде всего за счет задач, связанных с обработкой больших объемов информации. Наряду с этим произошло существенное усложнение структуры ЦВМ, прежде всего в результате применения различных форм мультипрограммной работы. Новым шагом на пути создания универсального языка явилась разработка ПЛ-1, приспособленного для описания алгоритмов решения подавляющего большинства задач (по состоянию на середину 60-х годов) и учитывающего архитектурные особенности наиболее распространенной серии вычислительных машин (ИБМ-360). Однако процесс расширения областей применения ЦВМ, естественно, не закончился в середине 60-х годов. В настоящее время, например, интенсивно развиваются такие направления, как обработка графоаналитической информации и машинное проектирование. Новые области применения неизбежно вызывают появление новых алгоритмических языков и соответственно тенденции к их обобщению на более высоком уровне. Поэтому в дальнейшем можно ожидать новых разработок в области универсального алгоритмического языка, например за счет усовершенствования ПЛ-1.Разработка алгоритмических языков имела существенное значение для формирования в 60-х годах нового подхода к разработке универсальных ЦВМ. Как отмечает А. Оплер, в первой половине 60-х годов �произошла техническая революция, в результате которой средства математического обеспечения превратились из полезного вспомогательного средства при программировании и эксплуатации вычислительных машин в равноправного партнера аппаратуры с точки зрения их значения для вычислительной техники�. При этом подход к разработке вычислительных машин претерпел существенную эволюцию: вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала разрабатываться система, состоящая из совокупности аппаратурных средств и средств программирования. На протяжении 60-х годов сложилась современная система средств математического обеспечения, которой, как правило, оснащаются выпускаемые универсальные ЦВМ и от которой в решающей степени зависят возможности их практического применения. В состав системы средств математического обеспечения, как правило, входят:а) одна или несколько операционных систем, обеспечивающих работу машины в том или ином режиме и содержащих такие программные средства, как управляющие программы (управление потоком заданий, управление процессом решения задач, управление обменом данными между запоминающими устройствами и т. п.), трансляторы с наиболее распространенных алгоритмических языков и сервисные программы (текущая модификация данных: сортировка, объединение, редактирование и т. п.);б) набор программ технического обслуживания машины (наладочные, проверочные, диагностические тесты);в) пакеты прикладных программ (для решения типовых научных, экономических, инженерных, информационно-поисковых и других задач).При этом сравнительно часто для записи программ, входящих в состав операционной системы, используется символический вариант языка данной машины, расширенный за счет введения в него некоторых команд и операторов (автокод). Таким образом создается двухступенчатая структура трансляции: с обобщенного алгоритмического языка на автокод и с автокода на язык машины. Применение автокодов обусловлено как неудобством (громоздкостью) машинных языков для описания операционных систем, так и непригодностью для данной цели таких языков, какАЛГОЛ. КОБОЛ и ФОРТРАН. Попытка упростить трансляцию была предпринята при создании языка ПЛ-1, который может быть использован как для описания алгоритмов решаемых задач, так и для описания операционных систем.Развитие структуры универсальных ЦВМ
Наиболее существенное влияние на структуру машин второго поколения оказало применение мультипрограммирования, т. е. многопрограммного принципа работы. При работе в режиме мультипрограммирования вычислительная машина одновременно (параллельно) выполняет различные команды одной и той же или разных программ, хранящихся в запоминающем устройстве. Первоначально мультипрограммирование было использовано с целью обеспечения более производительной совместной работы устройств, входящих в состав машины и имеющих различное быстродействие. В ходе применения мультипрограммирования выявилось другое важное преимущество данного метода — возможность создания более тесного контакта между человеком и машиной в процессе выполнения программы. В результате развитие мультипрограммирования позволило не только повысить реальное быстродействие ЦВМ за счет одновременной работы устройств машины, но и подготовить необходимые условия для появления в середине 60-х годов вычислительных машин, ориентированных на работу с автоматическим распределением машинного времени (АРМВ) между абонентами.Таким образом можно говорить о двухаспектной исторической роли мультипрограммирования: являясь мощным средством повышения производительности машин, оно в то же время создало условия для более эффективной формы использования ЦВМ — работе в режиме АРМВ.Первым шагом на пути развития мультипрограммирования явилось совмещение работы устройства ввода-вывода и центрального устройства обработки данных в нескольких моделях ламповых ЦВМ, таких как ИБМ-704 и ИБМ-709. Дальнейшее развитие идеи мультипрограммирования получили в процессе разработки мощных вычислительных систем второго поколения типа �ЛАРК� (1960 г., США, фирма �Сперри Рэнд�), СТРЕТЧ (1961 г., США, фирма �ИБМ�) и �Атлас� (1962 г., Великобритания, фирма �Ферранти�). С точки зрения области применения данные машины характеризуются высокой степенью универсальности и могут быть приблизительно с одинаковой эффективностью использованы в качестве ЦВМ для выполнения научно-технических расчетов и для обработки больших массивов информации. В то же время при решении одной конкретной задачи вычислительные возможности машины используются не полностью и отдельные ее устройства оказываются недогруженными. Например, некоторые задачи требуют выполнения большого объема вычислений при небольшом количестве исходных данных. При решении таких задач не загружены оконечные устройства. Другие задачи требуют обработки большого объема информации при небольшом объеме вычислений. В этом случае простаивает устройство обработки данных. Необходимо отметить также, что в некоторых случаях определение данных, которые потребуются при решении задачи, может быть сделано только в процессе выполнения, и поэтому команды на ввод новых данных не могут быть выданы заранее.В этих обстоятельствах мультипрограммирование было применено как средство повышения производительности за счет �разделения времени� устройств вычислительной машины, т. е. за счет такого способа работы какого-либо устройства ЦВМ, при котором устройство попеременно используется несколькими программами или несколькими частями одной программы, благодаря чему достигается его максимальная загрузка. В машинах первого поколения разделение времени использовалось в очень малой степени, в результате чего загрузка устройств была весьма низкой. По оценке Б. Райла, максимальная загрузка устройств в машине, исполняющей одну программу без использования или с малым использованием разделения времени, составляла (в %): память на ферритовых сердечниках — 10, средняя ячейка памяти — 0,001, арифметическое устройство — 20, средний регистр управления — 25—30.Таким образом, применение идей мультипрограммирования создавало широкие возможности повышения производительности машин за счет максимальной (в идеале стопроцентной) загрузки устройств.Для реализации этих возможностей необходимо было разработать новый подход к архитектуре вычислительных машин, отвечающий требованиям наиболее эффективной работы в режиме мультипрограммирования.Одной из первых попыток рассмотрения новых концепций явилась работа С. Гилла. В работе Б. Райла следующим образом был систематизирован оптимальный набор требований, предъявляемых к многопрограммной вычислительной системе:1. Хранящиеся в памяти или вводимые в машину рабочие программы должны быть независимы от абсолютных машинных адресов, таких как адреса ячеек памяти, регистров управлениСостояние счетной техники перед переходом к электромеханическим машинам
Как мы видели, крупнейшими достижениями в счетной технике рассматриваемого периода механических счетных машин было изобретение Лейбницем ступенчатого валика, широко использовавшегося в томас-машинах, и изобретение колеса с переменным числом зубцов (колеса Однера). В этот период было очень много и других изобретений, сыгравших видную роль в развитии вычислительных машин.В первую очередь сюда следует отнести суммирующую машину П. Л. Чебышева с непрерывной передачей десятков, затем отметить машину прямого умножения Болле, машину с пропорциональным рычагом и др.В 1855 г. Шейц в Швеции предложил записывающую счетную машину. Запись производилась на специальной свинцовой пластинке; фактически это была не запись, а чеканка результатов. Естественно, что такой несовершенный способ записи не получил распространения, но он подтолкнул творческую мысль многих исследователей в этом направлении. В 1888 г. К. Барроуз в США получает первый патент на суммирующую записывающую машину, которую он строит в 1892 г. Эта машина была уже клавишной. Рычажный набор чисел, который существовал почти во всех счетных машинах, имеет свои недостатки. Основной из них состоит в том, что, набирая числа, легко допустить ошибку, не доведя или переведя рычаг относительно нужной цифры. Значительно удобнее клавишный набор чисел.В 1896 г. Фельт и Тарран из Чикаго сконструировали клавишную счетную машину для четырех арифметических действий. Она принципиально отличалась от всех предшествующих. Ее размеры 35X25X12 см. На верхней крышке ящика находится восемь горизонтальных и девять вертикальных рядов пронумерованных клавишей. На всех клавишах первого горизонтального ряда стоят цифры 1 и 8, причем первая более крупная; на всех клавишах второго ряда — 2 и 7, далее 3 и 6 и т. д. до 9 и 0. При нажатии на клавишу в соответствующем окне считки появляется нужная цифра. Все девять клавишей одного и того же вертикального ряда при опускании надавливают на один и тот же рычаг. На конце рычага находится зубчатая полоса с девятью зубцами, которые соединены с цифровым колесом. После нажатия клавиша под действием пружины возвращается в исходное положение. Передача десятков осуществляется при помощи длинного пальца.Сложение сводится к набору слагаемых на клавишах. Умножение производится как ряд последовательных сложений. Вычитание заменяется сложением с дополнением к вычитаемому, для этого на каждой клавише и имеется вторая цифра меньшего размера (которая с основной цифрой в сумме дает 9). Деление сводится к ряду вычитаний.Прибор Фельта и Таррана по сравнению с другими арифмометрами получает результат при сложении и вычитании значительно быстрее. При умножении не очень больших чисел выигрыш в скорости также существует, который исчезает, если числа велики. При делении этот прибор никаких преимуществ не дает. Недостатком прибора является то, что сомножители нигде не фиксируются и нет уверенности в правильности их набора. Ошибки, допущенные в нажатии клавиши: клавиша нажата слишком слабо, нажата не та клавиша и т. п.,— ничем не обнаруживаются. В приборе много пружин, которые со временем ослабевают, и это ведет к ошибкам. К достоинствам следует отнести простоту устройства.Фельт и Тарран предложили еще одну машину, которая отличается от первой тем, что в ней на бумажной ленте получается отпечаток всех слагаемых, можно получить на ленте и все частные суммы. Емкость машины девять знаков.В скором времени клавишный набор чисел стал наиболее распространенным. Его стали использовать во всех существующих типах машин, как с валиком Лейбница, так и с колесом Однера. Наряду с полной клавиатурой начали выпускаться машины и с десятиклавишной клавиатурой установочного механизма. Десятиклавишные установочные механизмы оказались наиболее удобными в суммирующих машинах. В 1902 г. Г. Гопкинс в США предложил десятиклавишную суммирующую машину �Дальтон�. Широкое распространение получила суммирующая записывающая машина с десятью клавишами �Сендстранд�, которую начали выпускать в США в 1914 г. Аналогичная машина появилась в 1922 г. в Германии (�Астра�). С 1932 г. начали производиться десятиклавишные суммирующие машины (ДСМ) в СССР, с 1935 г. выпускаются машины марки КСМ (клавишная суммирующая машина).Как мы уже отмечали, клавишный набор чисел может быть приспособлен к любому типу с другим способом набора. Но в 1905 г. Г. Гаманн в Германии предложил новый принцип работы машины, который специально был приспособлен к клавишному набору. Этот принцип получил название пропорционального рычСостояние счетной техники перед переходом к электронным вычислительным машинам
Мы уже останавливались на том, как оценивал арифмометры Ф. Клейн. Еще более удивляет, с одной стороны, восторженность, а с другой — неправильность и скромность в оценке задач и возможностей счетных машин. В 1928 г. Н. И Идельсон писал: �Современный арифмометр представляет собой достойный удивления инструмент: быстро и механически-безошибочно выполняет он ту работу, которая, казалось бы, должна была навсегда остаться привилегией человеческого мозга� [8, стр. 7]. Следует иметь в виду, что речь идет об арифмометрах типа арифмометра Однера.Выдвигаются требования, которые можно предъявить к счетным машинам с учетом состояния техники в 20-е годы нашего столетия, а именно:1. Передача десятков должна всегда быть равномерной, даже если необходимо выполнить, например, действия: 999 999 + 1 или 1 000 000 — 1. Усилия при вращении рукоятки не должны чрезмерно при этом увеличиваться.2. Машина должна работать точно, независимо от скорости движения рабочих частей. При увеличении скорости должны вступать в действие различные противоинерционные и тормозящие устройства.3. Ошибки, возникающие в результате неправильного обращения, должны быть исключены. К ним относятся ошибки, появляющиеся, например, при неполном нажатии клавиши, неполном повороте ручки, при установке рычагов между отметками цифр, при нажатии двух клавиш одного разряда (вместо одной) и т. п. Для устранения возможности неправильного обращения с машиной она должна быть снабжена предохранительными приспособлениями, которые называются затормаживающими.4. Должны быть созданы машины с печатающим приспособлением. Результат необходимо печатать автоматически, так как при печатании результатов вычислителем могут появиться различные ошибки.Далее автор пишет о том, какая, с его точки зрения, должна быть идеальная машина, хотя �сомнительно, чтобы когда-нибудь удалось сконструировать такую идеальную машину�.Эта идеальная машина должна удовлетворять следующим требованиям:1. Четыре арифметических действия, после установки чисел, должны выполняться автоматически, при этом машиной должен указываться порядок чисел (запятая должна передвигаться автоматически). Это все предполагает автоматическое перемещение каретки и электропривода.2. Машина должна быть клавишной. Оба числа при выполнении умножения и деления должны устанавливаться одновременно и целиком. Установочные механизмы должны позволять установку одного из чисел следующего умножения или деления во время работы машины. Это ускорит процесс вычисления.3. �Машина должна работать достаточно быстро�.4. Машина должна быть с печатающим приспособлением, которое должно легко выключаться при получении промежуточных вычислений, запись которых не требуется. Счетчик также должен легко выключаться тогда, когда нужно только печатать.5. Машина должна работать бесшумно.6. Машина должна иметь два результирующих счетчика с возможностью переноса результата с одного счетчика на другой для получения промежуточных результатов и для работы с этими промежуточными вычислениями.7. Машина должна быть сравнительно проста, так как вероятность повреждений будет тем больше, чем сложнее механизм. Устранять повреждения также будет труднее, чем механизм сложнее. Автор далее пишет, что современные машины далеки еще от такой идеальной машины, и в �ближайшее время придется довольствоваться решением только некоторых из поставленных задач�.Эти рассуждения приведены для того, чтобы показать, что даже специалисты не видели (или плохо видели) истинные тенденции развития счетных машин. А в рассматриваемый период уже складывались условия, которые привели к созданию электронных вычислительных машин.В XX в. цифровая вычислительная техника развивалась в двух направлениях. Первое из них — это малые счетные машины (иногда их называют настольными) или то, что принято называть неопределенным словом арифмометр. Арифмометров до 30-х годов выпускалось, как мы видели, большое количество (в Советском Союзе выпуск арифмометров возобновился в 1924 г.). Малые вычислительные машины применялись для механизации выполнения элементарных арифметических операций в различных комбинациях.Второе направление в развитии цифровых вычислительных машин — это счетно-перфорационные или счетно-аналитические машины. Их также было выпущено большое число конструкций. Начиная с 1929 г., советская промышленность начала изготовление счетных машин более сложной конструкции, чем простой арифмометр. Счетно-аналитические машины использовались в первую очередь для решения задач статистики и учета. В СССР к 1932 г. было создано 12 МСС (машинно-счетных станций), оборудованных счетно-аналитическими машинами, на крупных предприятиях, в том числе на Московском и Горьковском автомобильных заводах.К 1939 г. отечественная промышленность освоила производство всех основных типов счетных машин. Наша страна избавилась от необходимости импортировать или арендовать (как это делалось до этого времени) �Голлерит�, �Пауэре� и другие системы у иностранных, в первую очередь американских, фирм. Многие МСС были полностью оснащены машинами отечественного производства. В 1932—1938 гг. на базе отечественных счетно-аналитических машин были созданы МСС на 40 промышленных предприятиях. В этот период строятся новые и реконструируются старые заводы. Так, в 1937 г. приступили к расширению и реконструкции одного из крупнейших заводов в нашей стране — завода �САМ� (счетно-аналитические машины).Мы привели только отдельные примеры быстрого роста промышленности выпуска вычислительных машин в нашей стране. Бурный рост вычислительной техники в 30-е годы наблюдается во всех промышленно развитых странах, в первую очередь в США и Германии. Расширялось применение машин, росли и требования, предъявляемые к ним в отношении быстродействия и автоматического управления.Широкое распространение табуляторов было связано с теми преимуществами, которые имеют перфорационные машины по сравнению с арифмометрами. Эти преимущества сводятся в основном к увеличению скорости и уменьшению вероятности ошибок при вычислениях. Уменьшение количества ошибок достигается здесь за счет механизации вычислений. После того как исходные данные были пробиты в виде отверстий на перфокартах, вся остальная работа производилась машинами, входящими в состав вычислительного комплекса. Такой комплекс включал следующие машины: 1) входной перфоратор; 2) контрольник; 3) сортировальную (или раскладочную) машину; 4) табулятор. Первые три машины являются подготовительными, арифметические же действия выполняются на табуляторе, преимущественно это сложение и вычитание. В такой машинный комплекс входит и автоматическое печатание результатов.Наряду с производством табуляторов, выполнявших в основном сложение и вычитание, в начале 30-х годов были разработаны множительные перфораторы (для сложения, вычитания и умножения), а также вычислительные перфораторы (для четырех арифметических действий). Существенным шагом в развитии таких машин явились разработки Брайса (США) и его сотрудников. В результате этих разработок в 1929 г. фирмой �ИБМ� была построена вычислительная машина для Колумбийского университета. Идеи, позволившие реализовать эту машину, повлияли на разработку серии из 600 множительных устройств, выпущенных той же фирмой в 1931 г. В дальнейшем в 30-х годах та же фирма разработала ряд устройств, способствовавших расширению применения перфорационных машин. Были введены ленточные перфораторы, вводные устройства для автоматической записи показаний различных приборов на перфокарты, итоговые перфокарты и т. п.Несмотря на все эти усовершенствования и распространение перфорационных машин, они не могли удовлетворить все возрастающие требования к вычислительным машинам.Вскоре после начала работ над программно-управляемыми автоматическими ЦВМ на электромеханических реле начались работы по созданию аналитических ЦВМ на электронных лампах. Так постепенно осуществлялся переход к современному этапу в развитии счетной техники. Несмотря на то, что возникновение электронных ЦВМ было подготовлено всем предшествующим развитием счетных машин, а также развитием и состоянием соответствующих отраслей техники, их осуществление оказалось революционным переворотом не только в счетной технике. Электронные вычислительные машины стали во многом определять лицо различных отраслей техники и целых математических дисциплин.Ступенчатый валик Лейбница
Первую счетную машину, на которой можно было не только складывать и вычитать, но умножать и делить, сконструировал и построил Г. Лейбниц. На Лейбница оказали влияние как работыПаскаля, в которых последний описывает свою машину, так и некоторое увлечение �вертушкой� Луллия. Следует также иметь в виду, что Лейбниц всегда интересовался вопросами механического счета.В 1672 г. Лейбниц высказал идею механического умножения без последовательного сложения и в том же году приступил к созданию вычислительной машины. В 1673 г. он представил машину в Парижскую академию. О ней дали восторженные отзывы Арно и Гюйгенс. И в дальнейшем Лейбниц довольно долго занимался конструированием и совершенствованием своей вычислительной машины.Для работы над счетными машинами Лейбниц специально приезжал из Германии в Париж. Здесь под его руководством с 1676 по 1694 г. работал над машиной известный механик Оливер. Сколько машин было построено Лейбницем или под его руководством — неизвестно. Две из них в свое время были на ремонте в Гелыстедте, но дальнейшая их судьба неизвестна. Современники утверждали, что на работы над машинами Лейбниц истратил огромную сумму — 24 тыс. талеров.Одну из своих машин Лейбниц собирался подарить Петру I во время пребывания последнего во Франции. Но предназначавшаяся Петру машина требовала починки, и Лейбниц отправил ее предварительно к механику, который, однако, не сумел ее исправить.В связи с окончанием своей работы над машиной Лейбниц писал профессору Р. Вагнеру: �Наконец я окончил свой арифметический прибор. Подобного прибора до сих пор еще никто не видел, так как он чрезвычайно оригинален�. Другому своему корреспонденту, Томасу Бернету, он пишет: �Мне посчастливилось построить такую арифметическую машину, которая бесконечно отличается от машины Паскаля, так как моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию�.Одна из машин Лейбница находится в музее в Ганновере. Она не совсем исправна, но принцип ее работы и устройство ясны. Эта машина представляет собой ящик довольно больших размеров: длиной около 1 м, шириной более 30 см и высотой около 25 см. Она состоит из двух частей: неподвижного счетчика и подвижного установочного механизма, который служит для ввода чисел в машину. В неподвижной части имеется 12 окон, в которых могут быть видны цифры от 0 до 9. Эти цифры нанесены на зубчатых колесах с десятью зубцами, которые вращаются под неподвижной частью. На подвижной части находится один большой диск и восемь маленьких кругов. Большой диск состоит из трех частей: наружной подвижной части в виде кольца с цифрами от 0 до 9, средней вращающейся части в виде кольца с десятью небольшими отверстиями против цифр неподвижной части, внутренней неподвижной части в виде круга с цифрами от 9 до 0. На восьми малых кругах нанесены в одном и том же порядке цифры от 0 до 9. В каждом круге имеется стрелка, которую можно установить против любой цифры круга. На подвижной части прибора находится еще большое колесо, которое с помощью системы зубчатых колес связано с большим диском. Вся подвижная часть в результате вращения рукоятки может перемещаться, т. е. установочный механизм может перемещаться вдоль разрядов счетчика. Зубчатые колеса, находящиеся под малыми кругами, входят в зацепление с зубцами валиков и колес на неподвижной части прибора только тогда, когда черточки подвижной и неподвижной частей совпадают.При сложении первое слагаемое набирают стрелками на малых кругах. Затем подвижную часть ручкой ставят так, чтобы черта первого справа круга подвижной части совпадала с первой чертой неподвижной части. В отверстие большого диска против наружного числа 1 вставляют специальный штифт и делают один оборот большим колесом по часовой стрелке, в результате этого она поворачивается по часовой стрелке до упора вставленного штифта в препятствие, которое находится между наружными числами 0 и 9, и в окнах неподвижной части (окнах считки) появится первое слагаемое.Каждый оборот большого колеса поворачивает диск на одно деление. Так же набирается и следующее слагаемое, в результате чего в окнах считки появляется сумма. Вычитание производится аналогично, только большое колесо вращают в обратную сторону.Основу машины составляют ступенчатые валики — цилиндрики с зубцами разной длины (эти цилиндрики и образуют валик, на котором нанесены зубцы в виде ступенек). Это изобретениеЛейбница было первым осуществлением зубчатого колеса с переменным числом зубцов. Именно такое числовое колесо обеспечивает выполнение умножения и деления. Второе колесо, счетное, было насажено на квадратную ось и могло перемещаться вдоль этой оси. Передвигая счетное колесо вдоль ступенчатого валика, его можно было ввести в зацепление с нужным количеством зубцов этого валика (числового колеса).Для выполнения умножения вначале устанавливают стрелками первый сомножитель. При умножении его на число единиц (на пример, на 5)вставляют штифт в отверстие наружного круга на большом диске против соответствующей цифры (цифры 5) и делают обороты (пять оборотов) по часовой стрелке большим колесом до тех пор, пока диск не остановится от упора штифта в препятствие, в результате этого в окнах считки появится произведение первого сомножителя на число единиц (на 5). Затем подвижную часть прибора перемещают на одно место влево, так чтобы черта первого колеса подвижной части совпала со второй чертой неподвижной части; вставляют штифт в отверстие, соответствующее числу десятков, и делают нужное число оборотов; в окнах считки появляется сумма произведений первого сомножителя на единицы и десятки и т. д.При делении поступают так же, как и при вычитании, т. е. вращают большое колесо в обратную сторону. Делимое переносится, как и при сложении, в окна неподвижной части, в этих же окнах (окнах считки) после выполнения деления можно прочесть остаток. Делитель набирается при помощи стрелок на малых кругах. Частное записывается последовательно по одной цифре, причем каждая из этих цифр равна числу оборотов круга, т. е. выписываются те цифры, против которых на внутреннем диске останавливается вставленный шрифт при одном и том же положении подвижной части. При умножении, переходя от разряда к разряду, подвижную часть передвигаем влево, при делении — вправо.Перенесение цифр, установленных стрелками на малых кругах, в окна считки происходит при помощи ступенчатых валиков. Механизма гашения в машине Лейбница не было, каждый круг на нуль устанавливался отдельно.Машина Лейбница, как отмечено выше, была довольно больших размеров, поэтому для нее изготавливали специальный стол.К сожалению, ни одного описания работы машины Лейбница, составленного в его время, не имеется, и, кроме того, с полной уверенностью ни про одну из сохранившихся машин нельзя сказать, что именно она является машиной Лейбница. В связи с этим существуют самые различные предположения относительно этой машины. Утверждают, например, что Лейбниц только высказал идею ступенчатого валика, а машину вообще никогда и не строил, что Лейбниц построил для демонстрации только отдельные узлы машины, а не машину целиком и т. п.Несмотря на все эти сомнения, можно отметить, что идея ступенчатого валика, бесспорно принадлежащая Лейбницу, надолго определила пути развития счетных машин. Идея Лейбница о разделении машины на подвижную и неподвижную части обеспечила возможность умножения многозначных чисел на многозначные. Эта идея также определила почти все конструкции счетных машин— ведь это современная подвижная каретка арифмометра.Лейбниц, исходя из своих методологических установок, в общих чертах описал то, что мы теперь назвали бы программой автоматизации мышления.В конце XVII в. над усовершенствованием машины Лейбница в Гелмстедте работали Р. Вагнер и механик Левин, а после смерти Лейбница — математик Тойбер.Машина Лейбница и его ступенчатые валики вызвали большое число последователей. Так, в 1710 г. А. Буркхардт из Глазхюте построил аналогичную машину. Усовершенствования в машину Лейбница внесли М. Кнутцен — кенигсбергский профессор, учитель Канта; И. Мюллер, инженер, построивший в 1783 г. счетную машину, которая давала звонок, когда от нее требовали невыполнимого действия.В 1725 г. предложил свою машину Лепинь, а в 1730 г. — Гиллерин, но сведения о них не сохранились. Известно только, что вторая машина имела такое сильное трение, что ее не всегда можно было привести в движение. Свои мащины также предлагали Герстен (1722 г.), лорд Магон (1776 г.) и др.Наиболее широкую известность получила машина Гана (70-е годы XVIII в.). Вюртембергский пастор М. Ган сконструировал машину, которая, в отличие от машин Паскаля и Лейбница, имевших вид продолговатых ящиков, представляла собой цилиндр. На верхнем основании цилиндра было расположено 14 пластинок с цифрами от 0 до 9. Им соответствовало столько же штифтов с теми же цифрами. В середине цилиндра была вставлена ось с ручкой. Поворотом этой ручки приводились во вращение ступенчатые валики, которые располагались вертикально. Машина Гана производила четыре арифметических действия, при этом результат не должен был превышать 14-значного числа.Две машины Гана были на лондонской выставке в 1876 г. В отчете об этой выставке относительно машины Гана сказано:�Прибор священника Гана в Эхтердингене (Штутгарт) изобретен в 1770—1776 гг. Изготовлен (четвертый экземпляр) его сыном — придворным техником в Штутгарте в 1809 г., а в 1876 г. отправлен на выставку в Лондон герцогинею Урах�.На этой же выставке была еще одна счетная машина, которая числилась как �арифметическая машина прошлого столетия�. Полагают, что это был первый экземпляр машины Гана. На выставку его привез директор Берлинской промышленной академии профессор Рело. Он приобрел эту машину в числе других вещей, оставшихся после кончины физика и химика Бейреса. К прибору было приложено старинное описание его, сделанное, по-видимому, самим Ганом.В описании прибора, опубликованном в 1878 г. (в Швабии), было сказано: �У одного из здешних граждан находится прибор священника Гана, прибор этот действует вполне исправно�. Об этом приборе сам Ган говорит: �Когда я был занят вычислениями над колесами астрономических часов, то мне пришлось иметь дело с громаднейшими дробями и делать умножения и деления над весьма большими числами, от которых даже мои мысли останавливались, так что эта работа могла нанести ущерб моим прямым обязанностям. Тут я вспомнил, что когда-то читал о Лейбнице, что он занимался изобретением арифметической машины, на которую тратил много времени и денег, но удовлетворительного результата не достиг. У меня родилась мысль также поработать в этом направлении. Нечего говорить, что мною также потрачено много времени и средств над различными опытами и над устранением неудач и затруднений при проектировании и устройстве прибора. Наконец мне удалось устроить прибор достаточно совершенный и прочный. Более всего затруднений я встретил над изобретением способа переноса накопившихся десяти единиц на десятки�.В XVIII в. в результате все возрастающего количества вычислений, в первую очередь под влиянием машин Паскаля и Лейбница, появляется целый ряд счетных машин.Счет на пальцах. Бирки
С необходимостью считать люди столкнулись довольно рано: насечки на костяных и каменных изделиях, которые фиксировали некоторый счет, встречаются уже в палеолите. В неолите имеются неоспоримые свидетельства как самого счета, так и его фиксации на камнях, костях, глиняных изделиях и т. п.С развитием общества счет стал совершенно необходимым, в обиходе появились довольно большие числа, выкладки с которыми все усложнялись. Возникла потребность в приборах, которые облегчили бы счет. Простейший из таких �приборов� был всегда с человеком — это 10 пальцев его рук. Ф. Энгельс писал: �Понятия числа и фигуры взяты не откуда-нибудь, а только из действительного мира. Десять пальцев, на которых люди учились считать, т. е. производить первую арифметическую операцию, представляют собой все, что угодно, только не продукт свободного творчества разума�.Современные исследования подчеркивают большое значение счета на пальцах для математики.�Возникновение приемов пальцевого счета уходит в глубь веков, так как было вызвано практической потребностью жизненной деятельности людей, причем этому счету придавалась необходимая тогда наглядность. Таким образом, простые арифметические действия с помощью пальцев осуществлялись как бы на своего рода счетной машине�. У этой счетной машины было много достоинств: простота, надежность, компактность и др., но были и недостатки. Одним из основных недостатков было то, что на пальцах неудобно сохранять результаты счета не только на длительные, но даже и на сравнительно короткие сроки.Пальцевый счет сыграл громадную роль в развитии математики. Происхождение десятиричной системы счисления связано с пальцевым счетом. Он оказал существенное влияние на многие другие вопросы. Пальцевый счет нашел отражение в цифровых обозначениях древних вавилонян и египтян. У древних римлян существовало пальцевое изображение чисел, которое описано средневековым монахом Беда Достопочтенным (VIII в.). Описание пальцевого счета, данное Беда, является ценнейшим историческим наследием древней счетной культуры. Правда известный историк математики М. Кантор указывает на противоречие в высказываниях Беда, который якобы говорит, с одной стороны, о большом значении пальцевого счета, а с другой — относит этот счет к развлечениям. Но высказывание Беда относительно пальцевого счета как развлечения, которое приводит М. Кантор, относится не к пальцевому счету, а к применению обозначений чисел пальцами для передачи при помощи буквенной нумерации букв и слов: 1 — а, 2 — р, 3 — Y И Т.Д. Такая передача употреблялась в основном как развлечение.Согласно описанию, составленному Беда, различные загибы пальцев изображали единицы, десятки, сотни и тысячи, а определенные жесты рук позволяли считать до миллиона. Пальцевым счетом пользовались не только торговцы или неграмотные, но также и математики. Так, крупнейший математик средневековой Европы Леонардо Пизанский рекомендовал пальцевый счет в качестве вспомогательного средства при счете в позиционной системе счисления.Не случайно также и то, что в древнерусской нумерации единицы назывались �перстами�, десятки — �составами�, а все остальные числа — �сочинениями�.О происхождении шестидесятиричной системы у вавилонян существует целый ряд гипотез. Одна из них говорит о том, что �почти несомненно, что шестидесятиричная система счисления выработалась при обыкновенном счете на пальцах�. В соответствии с этой теорией счет на пальцах по основанию �60� мог происходить следующим образом. Для отсчитывания единиц и десятков на одной руке соединяли вместе большой и указательный пальцы, которые не участвовали в отсчете единиц. Девять суставов трех остальных пальцев служили для отсчета единиц. Большой и указательный пальцы имеют пять видимых суставов, они служили для отсчета пяти десятков. Следовательно, максимальное число, которое можно выразить при помощи суставов пальцев одной руки, было 59. При помощи обеих рук возможен был счет до числа 3600, которому в Вавилоне приписывалась особая роль. Подтверждением этой гипотезы является и клинописное обозначение чисел на письме. Группировка клинописных знаков по три в ряду может быть объяснена символическим обозначением суставов пальцев: верхний ряд — суставы мизинца, затем безымянного и среднего. Этим объясняется то, что нижние клинья больше по размеру.От древних римлян берет начало простой способ умножения на пальцах чисел больших пяти и меньших десяти. Рассмотрим его на примере 6X8. На одной руке загибают количество пальцев, превышающих пять в первом сомножителе (один палец), а на второй руке — во втором (три пальца). Складываются загнутые пальцы (1+3=4) — это и будет число десятков произведения, а незагнутые пальцы перемножают (4X2 = — это будут единицы. Следовательно, 6X8 = 40+8=48.Мы привели только отдельные примеры пальцевого счета у разных народов. Пальцевый счет имел широкое распространение.Простейшим и первым искусственным счетным прибором является бирка. Вначале бирки служили для того, чтобы при их помощи можно было зафиксировать на память те или иные числа. Бирка — это деревянная палочка, на которой ножом наносят различной формы насечки (зарубки). Таким образом вели счет дням, количеству собранного урожая, количеству поголовья скота, величину долга и т. п. Для различных целей существовали разные бирки, форма зарубок также была достаточно разнообразна. Кроме того, и сами бирки делали различной формы: квадратного сечения, прямоугольного, круглого и т. п.Возникновение бирок теряется в глубине веков, и существовали они очень долго. Еще в первой четверти нашего столетия ими пользовались многие народы.Кроме бирок для �записи на память�, широкое распространение получили так называемые долговые бирки. На такую бирку зарубками наносилась величина долга, затем бирка раскалывалась так, чтобы раскол шел по зарубкам. Одна половина бирки оставалась у должника, другая — у кредитора. В момент расчета обе половинки складывались, зарубки при этом должны были совпадать. Аналогичные бирки были у пастухов для учета количества поголовья стада. Применялись бирки и в других самых различных случаях. В 1763 г. в Эстонии были учреждены государственные склады, из которых можно было брать в долг сельскохозяйственные продукты, причем наряду с расписками были узаконены и бирки.В Сибири в связи с открытием хлебозапасных магазинов в 1805 г. получили широкое распространение так называемые хлебные бирки. В XIX в. во многих районах, входящих в состав современной Югославии, подати вносились по биркам. В Швейцарии в это же время были в употреблении �водяные бирки�. Крестьяне проводили себе воду из горных потоков для орошения.Для регулирования расхода воды и служили �водяные бирки�, на них отмечалось время пользования водой. У альпийских стрелков при помощи бирок регулировалось несение пограничной службы. У забайкальских казаков бирки имели значение различных отчетных документов. Современный польский автор Щ. Еленьский пишет: �Еще недавно в различных закоулках в Польше употреблялись счеты в виде зарубок на палках — карбов (отсюда карбованец—рубль)�. Таких примеров можно привести очень много. Все они свидетельствуют о чрезвычайно широком распространении бирок. В ряде работ дается описание тех или иных бирок в этнографическом плане.Среди самых разнообразных типов бирок выделяется особая группа — счетные бирки. На эти бирки наносили определенные знаки для счета. Это были первые примитивные счетные приборы.Простейшие счетные бирки представляют собой аккуратные палочки с 10 или 12 простыми зарубками. При помощи таких бирок удобнее было считать не только в пределах первого десятка (дюжины), но и десятками (дюжинами). Простейшие счетные бирки встречались при раскопках в Новгороде, они были обнаружены в Тюменской области, в Эстонии и в других местах.Встречаются также бирки, на которых зарубки нанесены группами по две, три, четыре, пять, восемь, десять штук. Такие бирки служили для удобства счета парами, тройками и т. д. Например, эстонские рыбаки еще в недалеком прошлом рыбу считали тройками и четверками, у них и были в употреблении бирки, зарубки которых сгруппированы по три и по четыре штуки.Кроме простых счетных бирок, на которые наносятся зарубки для удобства счета отдельными группами, встречаются счетные бирки довольно сложного устройства. В Эстонии имеются, например, счетные бирки особой формы, в виде квадратных в сечении, хорошо обструганных деревянных палочек, которые состоят из двух вилкообразных половинок, входящих друг в друга. Эти половины, до полного разделения, могут перемещаться одна вдоль другой, напоминая передвижение центральной линейки в современной логарифмической линейке. Среди этих бирок встречаются бирки, у которых все четыре боковые грани покрыты группами зарубок, по пять в каждой. Группы отделены друг от друга косыми зарубками. Расстояние между прямыми зарубками, как и между косыми, одинаково. Передвигая половинки бирок друг относительно друга, можно было производить сложение пятерок.В Чувашии обнаруженысчетные бирки различной формы с развитой системой знаков и приемов счета. Эти бирки находились в связках по нескольку десятков. Зарубки на них были следующего вида:1 — обозначение 1, / — 5, X — 10, 1 — 1/2. Одни зарубки нанесены более глубоко, другие менее. Более глубокая зарубка означает число в 100 раз большее, чем такая же менее глубокая зарубка.Кроме того, зарубки нанесены на разных сторонах бирки: зарубки на одной стороне обозначают числа в 100 раз большие, чем зарубки на другой стороне. Таким образом, поворачивая бирку, мы тем самым увеличиваем значение зарубок в 100 раз. При помощи данной системы на чувашских бирках зафиксированы результаты умножения различных чисел: 19-3; 4,5-3; 469-4; 19-2,5; 19-1,5; 19-4; 19-5; 4,5-2,5; 4,5-1,5; 4,5-5,5; 49-2; 32-2; 232-3; 48,5-3; 48,5-3,5 т. п. При такой системе записи на бирках встречаются довольно большие числа вплоть до 35 000.Бирки представляют интерес как материальное свидетельство истории развития счета и записи его результатов. Система счета на бирках была не совсем примитивной. Бирки являлись не только документами, на которых записывались те или иные данные, но и своеобразным счетным прибором с разработанными правилами вычислений.Хотя бирку и можно отнести к счетным приборам, но арифметические операции при помощи бирок производить было неудобно, поэтому бирки как счетные приборы в обиходе встречались редко, в то время как долговыми, пастушескими и другими видами бирок широко пользовались еще в начале XX в.Одним из видов старинного счета является счет при помощи веревок, на которых числа отмечались завязыванием различных узелков. Наиболее древнее свидетельство о счете при помощи узелков мы находим у античного историка Геродота, у которого есть рассказ о том, что персидский царь Дарий, отправляясь в поход на скифов, приказал ионийцам остаться для охраны моста через реку Истер и, завязав на ремне 60 узлов, вручил его со словами: �Люди Ионии, возьмите этот ремень и поступите так, как я скажу вам: как только вы увидите, что я выступил против скифов, с того дня вы начнете ежедневно развязывать по одному узлу, и когда найдете, что дни, обозначенные этими узлами, уже миновали, то можете отправляться обратно к себе домой�.Счетные узелки у разных народов считались неприкосновенными и священными. Тот, кто завязывал или развязывал на подобном документе, не имея на то полномочий, узел, заслуживал самой жестокой кары. �В Европе вплоть до средних веков сохранились следы того, что завязанные узлы играли роль судебного доказательства�. У некоторых племен Древнего Китая сочетания узлов служили не только для счета, но и для фиксации различных других сведений. Счет на веревках был распространен на острове Рюкю (Япония). Имеются сведения об узловом счете у различных племен в Африке и на Гавайских островах.В Перу и других странах Америки при помощи узлов фиксировали даже различные исторические предания. Перуанские счетные веревки назывались �квипу�. Они изготовлялись из листьев агавы или из шерсти ламы. Вначале приготовлялись нити, которые скручивались по три или четыре, образуя шнур. Такие шнуры длиной до 60 см подвешивались к основной веревке длиной до 1 м наподобие бахромы. Неокрашенные квипу использовались только для счета. Окраска указывала, о чем идет речь: желтый цвет означал маис, красный — оружие и т. п. Квипу широко использовались и по существу играли роль статистических таблиц. С их помощью пастухи отмечали количество скота в стадах, чиновники — величину налога и т. п. При этом простой узел обозначал 10, два рядом стоящих таких узла — 20, двойной узел — 200, тройной — 1000 и т. д.Утверждение новых концепций организации электронных ЦВМ
Основные идеи отчетов НейманаНепосредственным результатом успешного завершения работы над машиной ЭНИАК явилось подтверждение на практике высокой эффективности применения в вычислительной технике электровакуумной технологии. Интерес, проявленный к машине, свидетельствовал о важности и своевременности дальнейшего развития нового технического направления. Перед конструкторами ЦВМ встала задача максимальной реализации огромных преимуществ, обеспечиваемых применением электроники. Необходимо было, в частности, проанализировать сильные и слабые стороны проекта ЭНИАК и дать соответствующие рекомендации.Блестящее решение этой задачи было дано в отчете Принстонского института перспективных исследований �Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства� (июнь 1946 г.). Этот отчет, составленный выдающимся математиком Джоном Нейманом и его коллегами по Принстонскому институту Г. Голдстайном и А. Берксом, представлял собой проект новой электронной ЦВМ (машина ИАС) и содержал обоснование выбора конструкции. Идеи, высказанные в отчете, оказали серьезное влияние на развитие вычислительной техники. Сравнительно скоро после ознакомления с отчетом широких научных кругов исследования в области электронных ЦВМ начали ряд институтов и фирм США.Сущность основных рекомендаций, изложенных в отчете Неймана, заключалась в следующем:1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины — в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.3. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:а) промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;б) числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.4. Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти.5. Арифметическое устройство машины конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.6. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).Необходимо отметить, что некоторые идеи, приближающиеся к концепциям Неймана, были высказаны ранее. Так, еще в проекте Бэббиджа предусматривалось специальное запоминающее устройство (�склад�), в котором хранились числа (но не команды!). Целесообразность выполнения вычислений в двоичном коде (при построении ЦВМ на электронных элементах) была показана в одной из работ Н. Винера (докладной записке, направленной в 1940 г. известному американскому конструктору аналоговых вычислительных машин В. Бушу). Известно также, что в проектах Цузе и Атанасова предусматривалось выполнение операций в двоичном коде. Заслуга Неймана заключалась не только в том, что он сформулировал и обосновал некоторые новые концепции, но и в том, что он разработал методы их практической реализации (проекты машин ЭДВАК и ИАС). Первый отчет Неймана (1945 г.) содержал характеристику проекта ЭДВАК, второй — детальную характеристику основных узлов(устройств управления, ввода-вывода, запоминающего и арифметического устройств) вычислительной машины ИАС. Заметим, что последующий опыт разработки ЦВМ показал правильность всех выводов Неймана, за исключением единственной рекомендации использовать программные, а не схемные методы для представления чисел в форме с плавающей запятой. В целом отчеты Неймана явились крупнейшим вкладом в разработку схемно-структурных решений универсальных электронных ЦВМ.Роль двоичной системы счисленияИдея Неймана использовать двоичную систему счисления была обусловлена как присущими ей достоинствами, так и спецификой электронных элементов.Двоичная система счисления, точно так же, как и наиболее распространенная в настоящее время десятичная система, относится к классу позиционных систем, т. е. таких систем счисления, в которых знаки (цифры), испоХронологические рамки периодов
Не менее важное значение, чем выбор принципа периодизации, имеет выбор принципа, которым следует руководствоваться при определении хронологических рамок отдельных периодов. Правильное определение хронологических рамок существенным образом влияет на выявление временных закономерностей и характеристик данной отрасли техники.Так же как и в отношении схем периодизации, здесь возможен выбор среди многочисленных вариантов. Например, хронологические рамки периодов развития электронных ЦВМ могут определяться на основе следующих критериев:1. Дата начала работы над проектом первой ЦВМ нового типа, например первой электронной ЦВМ, первой ЦВМ на полупроводниках и т. д.2. Даты, связанные с выполнением опытно-конструкторских работ по проекту, например, завершение монтажных работ, окончание испытаний и т. д.3. Дата ввода первой ЦВМ нового типа в эксплуатацию. Любой из данных критериев можно принять, взяв за основу,во-первых, проекты ЦВМ, имевшие главным образом экспериментальное значение (действующие модели или прототипы моделей, разработанные в экспериментальных целях), во-вторых, проекты ЦВМ, которые с самого начала предназначались для практического использования (однако не были настолько удачными, чтобы на их основе было начато серийное производство), и, в-третьих, проекты первых серийных ЦВМ. Данный набор вариантов еще более усложняется, если отдельно рассматривать незавершенные проекты.Наряду с критериями, связанными с разработкой первых. ЦВМ нового типа, в основу могут быть положены критерии, связанные с их производством и применением. Например, начало периода ЦВМ второго поколения может быть связано со следующими датами:1) год, в котором было изготовлено больше машин на полупроводниках, чем ламповых машин;2) год, когда в числе выпущенных новых моделей машин преобладали полупроводниковые модели;3) год, когда в парке эксплуатируемых ЦВМ стали преобладать машины на полупроводниках.Здесь также можно предложить ряд вариантов, взяв за основу или производство в одной стране (например, в стране с наиболее высокоразвитой вычислительной промышленностью), или мировое производство, или, наконец, данные по большинству стран, выпускающих ЦВМ. Кроме того, необходимо учесть, что наиболее совершенные разработки электронных ЦВМ часто связаны с военными и космическими программами. Поэтому данные критерии можно распространить только на производство ЦВМ определенных классов, например бортовых ЦВМ (т. е. машин, используемых на самолетах, ракетах, спутниках, космических кораблях, а также на подводных лодках и надводных судах). Если определенный тип машин (например, ЦВМ на интегральных схемах) стал преобладать среди бортовых ЦВМ, то разработка ЦВМ на интегральных схемах для гражданских нужд не представляет принципиальных технических трудностей и определяется преимущественно фактором стоимости.Рассматривая различные варианты хронологических принципов периодизации, авторы пришли к следующим выводам.В доэлектронный период, когда счетную машину, как правило, изобретал один человек, началом нового этапа (или периода в данном этапе) следует считать время изобретения нового типа машин.В электронный период за основу взят критерий серийного производства новых моделей. В соответствии с этим критерием год, когда в данной стране большинство серийных моделей выпущено, например на интегральных схемах, принимается за первый год нового периода (периода ЦВМ третьего поколения).Некоторые принципиальные соображения, а также трудности, связанные с отсутствием соответствующих статистических данных (в частности, отсутствие точных данных о выпуске ЦВМ военного назначения), привели авторов к выбору десятилетий и частей (начало, середина, конец) десятилетий в качестве интервалов времени для обозначения хронологических рамок периодов. Например, периоды первого — четвертого поколений электронных ЦВМ имеют следующие хронологические рамки:первое поколение — начало — середина 50-х годов;второе поколение — конец 50-х — середина 60-х годов;третье поколение — конец 60-х — начало 70-х годов;четвертое поколение — ориентировочное начало периода — середина 70-х годов.Общая хронологическая схема периодизации выглядит следующим образом.С древнейших времен до начала XVII в.— этап абака, который в разных странах начинался и кончался в разное время.Начало XVII —конец XIX в. — этап механических машин. Внутри этого этапа можно выделить следующие периоды:1) начало XVII—конец XVII в. — возникновение механических машин;2) конец XVII — начало XIX в. — попытки создания практически удобной и пригодной для массового производства счетной машины;3) начало XIX в.— 70-е годы XIX в. — господство применения ступенчатого валика в счетных машинах;4) 70-е годы — конец XIX в. — изобретение и реализация счетных машин на новых принципах, наиболее удачный из них — колесо с переменным числом зубцов.Конец XIX в.— 30-е годы XX в.— период электромеханических (электрических) дискретных счетных машин.Вторая половина 30-х — 40-е годы — период зарождения электронной цифровой вычислительной техники .Начало — середина 50-х годов — первое поколение электронных ЦВМ.Конец 50-х — середина 60-х годов — второе поколение. Конец 60-х — начало 70-х годов — третье поколение. Середина 70-х годов — ориентировочное начало периода четвертого поколения электронных ЦВМ.Чарльз Бэббидж — его идеи и машина
В XIX в. счетная техника развивалась в нескольких направлениях. Первое и основное из них — это создание достаточно быстродействующих счетных машин, выполняющих четыре действия и удобных в обращении (машина Томаса). Второе — изготовление простых и дешевых машин небольшой емкости для выполнения одного-двух действий (машины Куммера, Буняковского и др.).В первой половине XIX в. Чарльзом Бэббиджем была разработана идея полностью автоматической вычислительной машины с программным управлением. Эта идея настолько опередила возможности своего времени, что была осуществлена только в XX в. при создании электронных вычислительных машин. Еще будучи студентом, Бэббидж вместе с Д. Гершелем обнаружил ряд ошибок в навигационных таблицах. Впервые навигационные таблицы были опубликованы в Англии в 1766 г. Трудоемкие расчеты этих таблиц велись в течение многих лет. Несмотря на все старания составителей, таблицы содержали ошибки, которые влияли в первую очередь на точность ориентации кораблей в море. Стремление избежать ошибок при составлении различных таблиц привело Бэббиджа к мысли о необходимости расчета таблиц на машине. Так, еще в студенческие годы определились основные интересы Бэббиджа, связанные с созданием вычислительных машин, которым он посвятил всю свою долгую жизнь. Бэббидж был очень энергичным и деятельным человеком. Он брался за исследование разных предметов, но многие его работы так и остались незавершенными. Он начал писать грамматику и составлять словарь мирового универсального языка. Кроме того, Бэббиджсоставил целую серию словарей для самых различных целей. Он, например, однажды написал статью �Об искусстве открывания всех замков�, а затем сделал рисунок, отрицающий это открытие. В течение всех своих поездок и путешествий Бэббидж никогда не пропускал возможности измерить пульс и частоту дыхания животных, с которыми он сталкивался. В результате этих наблюдений он подготовил �Таблицу констант класса млекопитающих�. Бэббидж был большим специалистом по составлению и расшифровке различных кодов и шифров. Он предложил динамометрическую тележку (вагон) и испытывал ее при быстрой езде по железным дорогам. Он даже предложил свой способ приучения лошадей к седлу, кстати сказать, ничем не лучший, чем обычный, и т. п.Бэббидж был крупным и известным математиком. В 1816 г., он становится членом Лондонского королевского общества. В 1828 г. Бэббидж был избран на одну из самых почетных должностей — профессором математики Люкасовской кафедры Кембриджского университета. Первым профессором этой кафедры был И. Барроу, вторым — И. Ньютон; в наше время (с 1932 г.) ее занимал П. Дирак. При всей этой разнообразной деятельности основные силы и устремления Бэббиджа были направлены на создание счетных машин. В период начала работы над вычислительными машинами на Бэббиджа произвела большое впечатление организация труда при составлении таблиц по Франции в конце XVIII в. В связи с введением метрической системы французское правительство решило ввести принцип десятичности и в математику. Была сделана попытка делить окружность не на 360�, а на 400 частей, т. е. каждый квадрант делить не на 90�, а на 100 частей, а каждую сотую часть квадранта делить не на 60′, а также на 100 частей. Для такой перестройки требовалось пересчитать громадное число таблиц, в первую очередь тригонометрических и связанных с ними логарифмических. М. Прони было поручено руководить этими сложными и крупными расчетами. Работа под руководством Прони, которая была начата в 1784 г., полностью отвечающая высоким научным требованиям, была выполнена в удивительно короткий срок. В это время в Париже были две вычислительные мастерские, в которых производились одни и те же расчеты для взаимной проверки. Прони реорганизовал все расчетное дело. Всех вычислителей из двух мастерских он разбил на три группы. В первую группу входило пять-шесть математиков, задача которых состояла в подборе необходимых и удобных аналитических выражений. После выполнения этой задачи ученые первой группы переходили во вторую группу, состоявшую из девяти-десяти человек, достаточно хорошо владевшими математикой. Задача второй группы состояла в преобразовании формул, полученных первой группой, к такому виду, чтобы они были удобны для работы с числами.Кроме того, вторая группа вычисляла значение функций, отстоящих по значению аргумента на 5 или 10 интервалов. Эти значения входили в окончательную таблицу как ее основные значения. Затем формулы передавались третьей, наиболее многочисленной группе, состоящей примерно из 100 человек. Сотрудники третьей группы получали от второй вместе с формулами и исходные числа. Используя только сложение и вычитание в той последовательности, какая была указана в формулах, переданных из второй группы, третья группа получала окончательные числовые результаты. Таков был путь расчета таблиц. Следует отметить, что 90% сотрудников третьей группы не знали математики далее двух первых действий арифметики. Но в расчетах они ошибались значительно реже, чем те, кто лучше знал математику и больше понимал существо задачи. Вычислители третьей группы не знали общей задачи, да это им и не было нужно. Умея довольно хорошо складывать и вычитать, они работали механически. Таблицы, подсчитанные под руководством Прони, никогда не были опубликованы. Они были изготовлены в двух экземплярах. Каждый экземпляр содержал 17 рукописных томов большого формата. После ознакомления с организацией работы над составлением таблиц под руководством Прони у Бэббиджа возникла идея создать машину, которая вычисляла бы таблицы так же, как это делали вычислители у Прони. Точнее говоря, машина должна была заменить третью группу вычислителей, которая выполняла почти всю счетную работу. Бэббидж решил в основу работы своей машины положить известное свойство, состоящее в том, что конечные разности многочленов соответствующих порядков (зависящие от степени многочлена) равны нулю. Машину, которая будет работать на этом принципе, он назвал разностной. Бэббидж предполагал использовать разностную машину для вычисления любых функций, у которых разности высших порядков постоянны, а также для проверки ранее составленных таблиц. Характеризуя возможности машины, он писал: �Все таблицы чисел, которые следуют любому закону, хотя бы и сложному, могут быть получены в большей или меньшей степени только соответственными операциями последовательного сложения и вычитания чисел, входящих в каждую таблицу�.В разностной машине для каждого порядка разности необходим отдельный регистр, в котором хранились бы числа и который содержал бы устройство для последовательного складывания чисел в соседних регистрах. Например, разностная машина, предназначенная для табулирования полиномов второй степени, должна иметь три регистра. Предположим, что табулируемая функция у=х2, т. е. необходимо составить таблицу квадратов. Для этого вычислим несколько квадратов последовательных целых чисел, начиная с нуля: 0, 1, 4, 9; составим первые разности А’: 1, 3, 5, затем вторые: 2, 2, т. е. все вторые разности равны двум. Введем в регистры первые значащие числа из трех полученных рядов: 1, 1, 2. Во время первого цикла к числу во втором регистре прибавили число из третьего регистра. В результате получим в регистрах числа 1, 3, 2. Во втором цикле к числу в первом регистре — единице — прибавили число из второго регистра и числа в регистрах станут 4, 3, 2. После повторения двух циклов числа станут 9, 5, 2, затем 16, 7, 2 и т. д. Числа, полученные таким образом в первом регистре, образуют последовательность квадратов чисел натурального ряда. Если взять соответствующие начальные данные, то таким образом можно табулировать любой многочлен. Разностная машина предназначалась для расчета полинома и{х), п-я конечная разность которого равна нулю (Апи(х) =0). Такой полином был п — 1 степени. Для получения значения функции U(XI) необходимо было знать ее предыдущее значение U(XI-I) и диагональ конечных разностей А1, А2,…, А”-1. Все эти значения в разностной машине Бэббиджа могли устанавливаться на п регистрах иp зубчатых колес, связанных друг с другом.Принцип, положенный в основу разностной машины, мог быть использован для расчета кубов чисел, логарифмических, тригонометрических и многих других таблиц. При этом во многих случаях следовало брать довольно большое число разностей, прежде чем достигнуть их постоянного значения, а это в свою очередь означало, что на машине необходимо произвести достаточно много действий, чтобы получить табличное значение функции. Получение табличных значений функций при помощи полинома и конечных разностей называется табулированием. Бэббидж считал, что разностную машину можно использовать для расчета таблиц с неизвестными аналитическими законами; он высказывал также мысль о том, что на разностной машине можно рассчитывать некоторые ряды, не имеющие постоянных разностей. Работать над созданием разностной машины Бэббидж начал вскоре после 1812 г. Разработка и постройка механической вычислительной машины в то время представляли довольно сложную проблему. Бэббидж сам изобретал не только отдельные узлы, но и некоторые машины, чтобы делать эти узлы. Инженерную помощь получить было трудно. При всех этих сложностях Бэббидж сумел к 1822 г. построить небольшую действующую разностную машину с тремя регистрами, каждый из которых имел шесть секций. В каждой секции находилось по одному цифровому колесу, которые, в соответствии с числом зубьев, имели по периметру числа от 0 до 9. На нижнем колесе отмечались единицы, на следующем — десятки и т. д. На этой машине можно было производить расчеты до пяти знаков. Бэббидж рассчитывал на этой машине таблицу квадратов, таблицу значений функции у=х2+х+41 и ряд других таблиц. После окончания первой разностной машины Бэббидж в 1822 г. обратился с письмом к президенту Лондонского королевского общества Г. Деви, в котором предлагал построить разностную машину значительно больших размеров, чем первая, для расчета главным образом астрономических и навигационных таблиц. В частности, в своем письме он пишет о причинах, которые побудили его к работе над созданием вычислительных машин: �Невыносимая монотонная работа и усталость при непрерывном повторении простых арифметических действий сначала вызвали желание, а затем подсказали идею машины, которая при помощи силы тяжести или любой другой движущей силы должна была заменить человека в выполнении одной из самых медленных операций его ума�.Новая машина должна была работать с 20-раэрядными числами и разностями шестого порядка (в ней должно было быть семь 20-разрядных регистров) и иметь печатающее устройство. При содействии Королевского общества Бэббидж получил от правительства финансовую помощь и в 1823 г. начал работать над созданием машины. Он считал, что машина должна была весить после изготовления примерно 2 т, построена в течение двух-трех лет, стоимость ее составит 3—5 тыс. фунтов стерлингов. Но прошло 10 лет, а машина еще не была построена, хотя на ее изготовление было истрачено 17 тыс. фунтов казенных и 13 тыс. собственных денег.В основном это произошло потому, что развитие техники того времени и, в частности, производство точных механизмов, необходимых при изготовлении разностной машины, были на достаточно низком уровне. Кроме того, Бэббидж все время вносил поправки в конструкцию своей машины.В процессе работы над машиной Бэббидж выдвигал много новых проблем перед машиностроением. Временами ему удавалось привлечь к работе над разностной машиной высококвалифицированных и способных инженеров. Так, например, одно время над разностной машиной работал один из крупнейших английских инженеров Дж. Витворт.При разработке разностной машины Бэббидж очень много внимания уделял отдельным важным вопросам. Так, например, он неоднократно перерабатывал узлы машины, чтобы сократить время переноса при сложении (соответственно и умножении). В результате он добился, что время переноса было уменьшено в четыре раза по сравнению с первой машиной.Нехватка механизмов, квалифицированных людей, денег, бесконечные поправки и изменения в конструкции машины — все это привело к многочисленным конфликтам, и работа над созданием машины продвигалась вперед крайне медленно. Энтузиазм окружающих, в том числе и ученых, сменился недоверием. От его работы почти все отвернулись. К 1832 г. Бэббидж, по существу, остался один с неоконченной машиной. С этого времени работа над машиной продвигалась медленно. В начале 1833 г. небольшая часть машины была построена, и она работала с запланированной точностью. Несмотря на это, дальнейшая работа над машиной прекратилась. В 1834 г. Бэббидж обратился к премьер-министру Ч. Грею за дополнительной финансовой помощью. Но прежде чем Грей высказал свое отношение к продолжению работ Бэббиджа, возглавляемое им правительство подало в отставку. В течение последующих восьми лет Бэббидж еще надеялся получить поддержку от правительства, но в 1842 г. премьер-министр Р. Пиль сообщил, что правительство не может оказать ему финансовой поддержки. Незаконченная разностная машина вместе со всеми чертежами была сдана на хранение в 1843 г. в музей Королевского колледжа в Лондоне. Часть машины была закончена в 1862 г., она хранится в научном музее в Лондоне. Кроме того, из частей разностной машины была построена демонстрационная модель, находящаяся в настоящее время в Кембридже. Таким образом Бэббиджем впервые была предложена машина, которая могла, в отличие от всех предшествующих машин, не только производить один раз заданное действие, но и осуществлять целую программу вычислений.